Проблема безопасности транспорта и хранения газа

Состав природного газа

Природный газ - смесь газов, образовавшихся в недрах Земли при анаэробном разложении органических веществ.

Природный газ относится к полезным ископаемым. Природный газ в пластовых условиях (условиях залегания в земных недрах) находится в газообразном состоянии - в виде отдельных скоплений (газовые залежи) или в виде газовой шапки нефтегазовых месторождений, либо в растворённом состоянии в нефти или воде. При стандартных условиях (101,325 кПа и 20°C) природный газ находится только в газообразном состоянии. Также природный газ может находиться в кристаллическом состоянии в виде естественных газогидратов.

Природные газы подразделяют на три группы:

газы, добываемые из чисто газовых месторождений, представляют собой сухой газ без тяжелых углеводородов;

газы, добываемые из нефтяных месторождений вместе с нефтью, представляют собой смесь сухого газа с газообразным бензином и пропан - бутановой фракцией;

газы, добываемые из конденсатных месторождений, представляют собой смесь сухого газа и конденсата.

Природные газы состоят преимущественно из предельных углеводородов, но в них встречаются также сероводород, азот, углекислота, водяные пары.

Газы, добываемые из чисто газовых месторождений, состоят в основном из метана.

Газ и нефть в толще земли заполняют пустоты пористых пород, и при больших их скоплениях целесообразна промышленная разработка и эксплуатация залежей.

Давление в пласте зависит от глубины его залегания. Практически через каждые 10 м глубины давление в пласте возрастает на 0,1 МПа (1 кгс/см2).

В состав газообразного топлива входят горючая и негорючая части. Чем больше горючая часть топлива, тем больше удельная теплота его сгорания. Различия в физико-химических и теплотехнических характеристиках газового топлива обусловлены разным количеством в составе газа горючих и негорючих газообразных компонентов (балластов), а также вредных примесей.

К горючим компонентам относятся следующие вещества.

Водород Н2 Бесцветный нетоксичный газ без вкуса и запаха, масса 1 м³ которого равна 0,09 кг. Он в 14,5 раза легче воздуха. Удельная теплота сгорания водорода составляет: QB - 12 750 кДж/м3, 33 850 ккал/кг и 68 260 ккал / моль; Qн - соответственно 10 800 кДж/м3, 28640 ккал/кг и 57 740 ккал / моль и превышает на теплоту, затрачиваемую на испарение воды, образующейся при сгорании водорода; 1 м³ водорода, сгорая в теоретически необходимом количестве воздуха, образует 2,88 м³ продуктов горения.

Водородно-воздушные смеси легко воспламенимы в весьма пожаро - и взрывоопасны.

Метан СН4 Бесцветный нетоксичный газ без запаха и вкуса. В состав метана входит 75% углерода и 25% водорода; масса 1 м³ метана равна 0,717 кг. При атмосферном давлении и температуре -162°С метан сжижается и его объем уменьшается почти в 600 раз. Поэтому сжиженный природный газ является перспективным энергоносителем для многих отраслей народного хозяйства.

Вследствие содержания в метане 25% водорода (по массе) имеется большое различие между его высшей и низшей удельной теплотой сгорания. Высшая удельная теплота сгорания метана Qв составляет 39 820 кДж/м3, 13 200 ккал/кг и 212 860 ккал / моль; низшая - Qн - соответственно 35 880 кДж/м3, 11 957 ккал/кг и 191 820 ккал / моль.

Содержание метана в природных газах достигает 98%, поэтому его свойства практически полностью определяют свойства природных газов.

Природные и попутные газы, состоящие в основном из метана, представляют собой не только высококалорийное топливо, но ценное сырье для химической промышленности.

Метан обладает сравнительно низкой реакционной способностью. Это объясняется тем, что на разрыв четырех связей С-Н в молекуле метана требуется большая затрата энергии. Кроме метана в горючих газах могут содержаться этан C2H6, пропан С3Н8, бутан С4Н10 и др.

Углеводороды метанового ряда имеют общую формулу СnН2n+2, где п - углеродное число, равное 1 для метана, 2 для этана и 3 для пропана. С увеличением числа атомов в молекуле тяжелых углеводородов возрастают ее плотность и удельная теплота сгорания.

Оксид углерода СО. Бесцветный газ без запаха и вкуса масса 1 м³ которого составляет 1,25 кг; удельная теплота сгорания 13 250 кДж/м3, 2413 ккал/кг или 67 590 ккал / моль, Увеличение содержания оксида углерода за счет снижения балласта (CO2 + N2) резко повышает удельную теплоту сгорания и температуру горения низкокалорийных газов. В высококалорийных газах, содержащих метан и другие углеводороды, увеличение процентного содержания оксида углерода понижает удельную теплоту сгорания газа. При этом образуется 2,88 м³ продуктов горения. Вследствие малого их объема на каждый кубический метр оксида углерода приходится больше теплоты, чем на 1 м³ продуктов горения углеводородов.

Оксид углерода легко вступает в соединение с гемоглобином крови. При содержании в воздухе 0,04% СО примерно 30% гемоглобина крови вступает в химическое соединение с оксидом углерода, при 0,1% СО - 50%, при 0,4%-более 80%. Оксид углерода относится к высокотоксичным газам, и находиться в помещении, воздух которого содержит 0,2% СО, в течение 1 ч вредно для организма, а при содержании 0,5% СО находиться в помещении даже в течение 5 мин опасно для жизни.

В негорючую часть газообразного топлива входят азот, углекислый газ и кислород.

Азот N2. Бесцветный газ без запаха и вкуса. Плотность азота равна 1,25 г./м3 Атомы азота соединены между собой в молекуле тройной связью N = N, на разрыв которой расходуется 170,2 тыс. ккал / моль теплоты.

Азот практически не реагирует с кислородом, поэтому при расчетах процесса горения его рассматривают как инертный газ. Содержание азота в различных газах колеблется в значительных пределах.

Углекислый газ СО2. Бесцветный газ, тяжелый, малореакционный при низких температурах. Имеет слегка кисловатый запах и вкус. Концентрация СО2 в воздухе в пределах 4-5% приводит к сильному раздражению органов дыхания, а в пределах 10% вызывает сильное отравление.

Плотность СО2 составляет 1,98 г./м3. Углекислый газ тяже лее воздуха в 1,53 раза, при температуре - 20 0С и давления 5,8 МПа (58 кгс/см г) он превращается в жидкость, которую можно перевозить в стальных баллонах. При сильном охлаждении CO2 застывает в белую снегообразную массу. Твердый СО2, или сухой лед, широко используется для хранения скоропортящихся продуктов в других целей.

Кислород О2. Газ без запаха, цвета и вкуса. Плотность его составляет 1,43 г./м3. Присутствие кислорода в газе понижает удельную теплоту сгорания и делает газ взрывоопасным. Поэтому содержание кислорода в газе не должно быть более 1% от объема.

К вредным примесям относятся следующие газы.

Сероводород H2S. Бесцветный газ с сильным запахом, напоминающим запах тухлых яиц, обладает высокой токсичностью. Масса 1 м³ сероводорода равна 1,54 кг.

Сероводород, воздействуя на металлы, образует сульфиды. Он оказывает сильное корродирующее воздействие на газопроводы, особенно при одновременном присутствии в газе H2S, Н2О и О2. При сжигании сероводород образует сернистый газ, вредный для здоровья и оказывающий коррозионное воздействие на металлические поверхности. Содержание сероводорода в газе не должно превышать 2 г на 100 м³ газа.

Цианистоводородная (синильная) кислота HCN. Представляет собой бесцветную легкую жидкость с температурой кипения 26 0С. Вследствие такой низкой температуры кипения HCN находится в горючих газах в газообразном состоянии. Синильная кислота очень ядовита, обладает корродирующим воздействием на железо, медь, олово, цинк и их сплавы. Поэтому допускается наличие не более 5 г цианистых соединений (в пересчете на HCN) на каждые 100 м3газа.

Для того чтобы своевременно обнаружить утечку, все горючие газы, направленные в городские газопроводы, подвергают одоризации, т.е. придают им резкий специфический запах, по которому их легко обнаружить даже при незначительных концентрациях в воздухе помещений. Одоризация газов производится с помощью специальных жидкостей, обладающих сильными запахом. Наиболее часто в качестве одноранта применяют этил меркаптан. При этом запах газа должен ощущаться при концентрации его в воздухе не более 1/5 части нижнего предела взрываемости. Практически это означает, что природный газ, имеющий нижний предел взрываемости, равный 5%, должен чувствоваться в воздухе помещений при 1%-ной концентрации. Запах сжиженных газов должен ощущаться при 0,5%-ной концентрации их в объеме помещения.

Проблема безопасности транспорта и хранения газа

Газы в их сжатом состоянии и особенно сжатый воздух являются почти незаменимыми для современной промышленности и также широко используются для медицинских целей, для изготовления минеральных вод, при погружении под воду и в связи со средствами передвижения.

В таблице1 приведены газы, с которыми обычно имеют деле в цилиндрах для сжатых газов.

Таблица 1. Газы, которые часто встречаются в сжатом состоянии

*Эти газы являются воспламеняющимися

Все выше перечисленные газы представляют опасность раздражающего, удушающего или высоко токсичного респираторного характера, а в сжатом состоянии они могут быть также воспламеняющимися и взрывчатыми веществами. Большинство стран предусматривает стандартную систему цветового кодирования, посредством которой различные цветные полосы или ярлыки наносятся на газовые баллоны с целью указания типа опасности, которую нужно ожидать. В частности, отравляющим газам, таким как синильная кислота, также дают специальные маркировки.

При первоначальном поступлении в употребление все контейнеры для сжатого газа изготовлены таким образом, что они являются безопасными для тех целей, для которых они предназначены. Однако, могут иметь место серьезные аварии в результате неправильного их использования, злоупотребления или неправильного обращения, и поэтому при обращении, транспортировке, хранении и даже удалении таких цилиндров и контейнеров должна быть проявлена самая большая осторожность.

В зависимости от характеристик газа, он может быть введен в контейнер или цилиндр в жидкой форме или просто как газ под высоким давлением. Чтобы превратить газ в жидкость, необходимо охладить его ниже критической температуры и подвергнуть его действию соответствующего давления. Чем больше температура понижается по сравнению с критической температурой, тем меньшее давление требуется.

Некоторые из газов имеют свойства, против действия которых должны быть предприняты меры предосторожности. Например, ацетилен может опасно реагировать с медью и не должен находиться в контакте со сплавами, содержащими более 66% этого металла. Он обычно поставляется в стальных контейнерах под давлением приблизительно от 14,7 до 16,8 бар. Другой газ, который обладает высоко коррозионным действием на медь - аммиак, который должен храниться вне контакта с этим металлом, при этом используются стальные цилиндры или изготовленные из разрешенных сплавов. Хлор не реагирует с медью или со сталью, за исключением как в присутствии воды, и по этой причине все сосуды хранения или другие контейнеры не должны никогда контактировать с влагой. Фтористый газ, с другой стороны, хотя и легко вступает в реакцию с большинством металлов, будет стремиться сформировать защитное покрытие, как, например, в случае меди, где слой медного фторида поверх металла защищает его от дальнейшего действия газа.

Среди перечисленных газов, диоксид углерода - один из наиболее легко превращаемых в жидкость газов; это происходит при температуре 15 C и давлении около 14,7 бар. Он имеет много коммерческих применений и может храниться в стальных баллонах.

Газообразные углеводороды, из которых сжиженный нефтяной газ является смесью, образуемой в основном из бутана (около 62%) и пропана (около 36%), не являются коррозионными агентами и обычно перевозятся в стальных баллонах или других контейнерах при давлениях от 14,7 до 19,6 бар. Метан - другой высоко воспламеняющийся газ, который также обычно поставляется в стальных баллонах при давлении от 14,7 до 19,6 бар.

Когда выбирается склад заполнения, хранение и отправки, следует принять во внимание безопасность как места, так и окружающей среды. Комнаты с насосом, заполняющим оборудованием и так далее - должны быть размещены в огнестойких зданиях с крышами легкой конструкции. Двери и другие закрытые помещения должны открываться наружу здания.

Помещения должны хорошо вентилироваться, и должна быть установлена система освещения с защищенными от огня электрическими переключателями. Следует принять меры для обеспечения свободного передвижения персонала в помещениях для целей заполнения, проверки и отправки газов. Должны быть предусмотрены выходы безопасности.

Сжатые газы могут храниться открытыми только в том случае, если они хорошо защищены от погоды и прямых солнечных лучей. Места хранения должны быть расположены на безопасном расстоянии от заполненных людьми помещений и жилых помещений.

При транспортировке и распределении контейнеров следует предпринять меры предосторожности, чтобы не повредить клапаны и соединения. Должны быть предприняты адекватные меры предосторожности для предотвращения падения цилиндров с транспортных средств и грубого использования, чрезмерных ударов или местного напряжения и для предотвращения чрезмерного перемещения жидкостей в больших резервуарах. Каждое транспортное средство должно быть оборудовано огнетушителем и токопроводящей полосой для заземления статического электричества и должно иметь четкую надпись «Воспламеняющиеся жидкости». Выхлопные трубы должны иметь устройство контроля огня, а двигатели во время загрузки и разгрузки должны быть выключены. Предельная скорость этих транспортных средств должна быть строго ограничена.

Главные опасности при использовании сжатых газов возникают из-за давления и токсичных и / или воспламеняющихся свойств. Основные меры предосторожности заключаются в том, чтобы обеспечить использование оборудования только с теми газами, для которых оно было разработано, и чтобы сжатые газы не использовались для любой цели, кроме той, для которой их использование было разрешено.

Все шланги и другое оборудование должны быть хорошего качества и должны часто осматриваться. Использование обратных клапанов должно быть обеспечено везде, где необходимо. Все шланговые соединения должны быть в хорошем состоянии, и никакие стыки не должны быть выполнены путем резьбовых соединений, которые неточно соответствуют друг другу. В случае ацетилена и горючих газов должен использоваться красный шланг; для кислорода шланг должен быть черным. Рекомендуется, чтобы для всех воспламеняющихся газов, винтовые соединения была бы с левой резьбой, а в случае всех других газов они должна быть с правой резьбой. Шланги никогда не должны подменяться.

Кислород и некоторые анестезирующие газы часто транспортируются в больших цилиндрах. Заполнение этими сжатыми газами маленьких цилиндров - опасная операция, которая должна быть выполнена при компетентном наблюдении с использованием правильного хорошо установленного оборудования.

Сжатый воздух широко используется во многих отраслях промышленности, и при монтаже трубопроводов и их защите от повреждений должны быть предприняты меры предосторожности. Шланги и крепежные приспособления должны поддерживаться в хорошем состоянии и регулярно осматриваться. Поднесение шланга со сжатым воздухом или струи к открытому порезу или ране, через которую воздух может проникнуть в ткани или в кровь, является особенно опасным; следует предпринять меры предосторожности против всех форм безответственного поведения, при которых струя сжатого воздуха могла бы войти в контакт с любыми отверстиями на теле (результат которого может быть смертельным). Существует дополнительная опасность, когда струи сжатого воздуха используются для очистки частей машин или рабочего места: известно, что летящие частицы вызывают травмы или слепоту; поэтому должны быть предусмотрены меры предосторожности против таких опасностей.

Список литературы

природный безопасность газ транспорт

1 Истомин В.А., Якушев В.С., Махонина Н.А., Квон В.Г., Чувилин Е.М. Эффект самоконсервации газовых гидратов - Газовая промышленность, спецвыпуск «Газовые гидраты», 2006, с. 36-46.

История нефти в осадочных бассейнах: сб. науч. тр. / Под ред. Б.А. Соколова. - М.: Изд-во «Интерпринт», 1994 - 181.

Карцев А.А. Основы геохимии нефти и газа. - М.: Недра, 1978 - 461.

Мирзаджанзаде А.Х., Аметов И.М., Ковалев А.Г. Физика нефтяного и газового пласта. Изд. «Недра». М. 1982 г. - 268.

Новые идеи в геологии и геохимии нефти и газа. Нефтегазовая геология - итоги ХХ века. - М.: Изд-во Моск. ун-та, 2000 - 386.

Российская газовая энциклопедия. Москва. Научное издательство «Большая Российская энциклопедия», 2004, с. 81-85.