تويت
غازات وقود
Fuel gas - Gaz inflammable
غازات الوقود
غازات الوقود fuel gas مزيج طبيعي من الهدروكربونات من C1 حتى C5، مختلفة التراكيب، مشبعة الأبخرة، منتشرة حرّة، مرافقة أو منحلة في الطبقات المائية أو النفط الخام في أعماق القشرة الأرضية، أو تستخرج من الفحم الحجري أو في عمليات تكرير النفط. تولِّد غازات الوقود طاقة حرارية كبيرة عند احتراقها مع الأكسجين.
أولاً ـ لمحة تاريخية
عرف الإنسان غازات الوقود مع اكتشافه غازات المستنقعات القابلة للاشتعال، لوجود غاز الميتان، فيها وكذلك من الفحم الحجري لما استخرج منه غاز الفحم الحجري عام 1792م في فرنسا وبريطانيا، وسميّ غاز الاستصباح، لاستعماله في الإنارة. وازداد الاعتماد على الفحم الحجري. ومع قيام الثورة الصناعية تطورت طرائق الاستفادة من غازات الوقود المستخرجة من المناجم، وغاز الكوك وغاز المولدات والغاز المائي والغاز الأزرق حتى بداية الحرب العالية الأولى (1914ـ 1918) وازداد الاعتماد على النفط، الذي تطورت صناعته وتنوعت منتجاته البتروكيماوية تنوعاً كبيراً، وطُبِّقت تقانات صناعية جديدة في أوربا وخاصةً ألمانيا، خوفاً من نفاد مصادر الطاقة في أثناء الحرب. وقد تواصل البحث والاستكشاف في الخمسينيات والستينيات من القرن العشرين فتنوعت مصادر الغاز الطبيعي وتباينت أنواعه المختلفة وصارت مصدراً مهماً من مصادر الطاقة في الوطن العربي ودول آسيا ورابطة الدول المستقلة وأوربا وأمريكا وأستراليا. وبقيت إفريقيا الجنوبية تعتمد على مصادر الطاقة من غازات الوقود المستخرجة من الفحم الحجري حتى اليوم. ولم يكن في الوطن العربي مصدر للطاقة قبل اكتشاف النفط والغاز، لعدم توافر مناجم تذكر للفحم الحجري ولعدم إمكان استخدام منتجاته في الطاقة أو الصناعة.
ثانياً ـ أنواع غازات الوقود
تتميز غازات الوقود باختلاف صفاتها وتراكيبها ومصادرها وهي:
1ـ غازات الوقود الطبيعية: هي غازات قابلة للاحتراق موجودة في جوف الأرض على أعماق كبيرة أو ناتجة من مكامن طبيعية وهي نوعان:
أـ غازات المستنقعات marsh gases: هي غازات قابلة للاحتراق تنطلق من قاع المستنقعات نتيجة تفسخ البقايا النباتية بفعل البكتريا في شروط طبيعية بمعزل عن الهواء، وتحتوي على نسبة كبيرة من الميتان، ونسبة قليلة من النتروجين وأول وثاني أكسيد الكربون.
ب ـ الغاز الطبيعي natural gas: وهو غاز طبيعي صاف قابل للاحتراق يتجمع تحت سطح الأرض، يتكون من هدروكربونات مشبعة (C1 ـ C5) إضافة إلى أكسيد الكربون، وكبريت الهدروجين، والآزوت (النتروجين) وبعض الغازات النادرة كالهليوم، ذات وزن جزيئي منخفض. يستخرج الغاز الطبيعي من جيوب في عمق الأرض ويسمى مكمن غازي.
2ـ غازات الفحم الحجري: هي الغازات الناتجة من التقطير الإتلافي للفحم الحجري ومن بقايا نواتجه الصلبة كفحم الكوك وغيره وأهم أنواعها:
أـ غاز المناجم mine gas: هو غاز ينطلق من مناجم الفحم الحجري، يتكون من الميتان ويكون مع الهواء غازاً سريع الانفجار.
ب ـ غاز الاستصباح coal gas: هو وقود غازي قابل للاحتراق، يستحصل من الفحم الحجري إما طبيعياً أو صناعياً، أو بتحويل الفحم إلى غازgasification تحت سطح الأرض، ويتكون من مزيج غازات أساسها الهدروجين 50% والميتان 35 % وأول أكسيد الكربون 8% وثاني أكسيد الكربون 2% والآزوت 2% وهدروكربونات أخرى.
ج ـ غاز الكوك coke - oven gas: هو وقود غازي متولد من عملية تحويل الفحم الحجري إلى فحم كوك في الأفران، يتميز بطاقة حرارية عالية. يتكون أساساً من الهدروجين بنسبة كبيرة والميتان وأول أكسيد الكربون ويحتوي على شوائب أخرى، غير قابلة للاحتراق كغاز النشادر والنتروجين وثاني أوكسيد الكربون.
د ـ غاز المولدات producer gas (air gas): هو وقود غازي يتكون من مزيج أول أوكسيد الكربون والنتروجين، ينتج بإمرار الهواء على طبقة سميكة من الفحم المتوهج.
هـ ـ غاز الماء water gas: هو وقود غازي يتكون من مزيج أول أوكسيد الكربون والهدروجين 83 ـ 86%، ينتج بإمرار بخار الماء على طبقة سميكة من الفحم المتوهج.
و ـ غاز الماء الأزرق (الغاز الأزرق) bluewater gas (blue gas): هو وقود غازي يتكون من مزيج أول أوكسيد الكربون والهيدروجين بنسب متساوية، ينتج بإمرار بخار الماء على طبقة سميكة من فحم الكوك الساخن.
زـ الغاز الفقير lean gas: هو وقود غازي يتكون من مزيج الهدروجين 32% والميتان 20% والهدروكربونات 17% وأول أكسيد الكربون 26% وثاني أكسيد الكربون والآزوت 5% ينتج من تفكك بخار الماء على طبقة سميكة من الفحم المتوهج.
3ـ غازات النفط petroleum gases: هي مزيج من هدروكربونات غازية مرافقة أو منحلة في النفط، وتنقسم إلى غازات جافة تحتوي على نسبة كبيرة من الميتان وكميات قليلة من الإيتان والبروبان والبوتان والبروبيلين، وغازات رطبة سهلة التميع تحتوي على كميات كبيرة من البروبان والبوتان وكميات ضئيلة من الميتان والإيتلين.
أـ غازات فتحات الآبار النفطية cap gasses: وهي طبقة الغازات التي تعلو النفط الخام وتسمى غازات رأس البطانة أو القبعة الغازية، تعد وقوداً غازياً عالي الكفاءة، يتكون من هيدروكربونات كالإيتان والبروبان والبوتان. ويتعلق تركيب الغازات بمكان المكمن النفطي.
ب ـ غازات حقول النفط (الغاز المرافق)associated gasses: هي الغازات المرافقة للنفط وتكون على عمق كبير وتحت ضغط مرتفع ذائبة في النفط، ينفصل الغاز عن النفط عند خروجه إلى سطح الأرض بفعل انخفاض الضغط، وتعد غازات مشبعة لاتحتوي على الهدروجين وغنية بالبروبان والبوتان.
ج ـ غاز البترول المسيل liquefied petroleum gas (LPG) أو الغاز المعبأ bottled gas: هو وقود غازي يتألف من هدروكربونات في الطور السائل تحت درجة 25 درجة جوي ودرجة حرارة 18ـ20 ْم يتحول إلى الطور الغازي عند انخفاض الضغط، ويتكون من كميات متفاوتة من البروبان والبوتان.
د ـ غازات التكرير refinery gases: هي وقود غازي مؤلف من مزيج هدروكربونات مشبعة كالميتان والإيتان وغير مشبعة كالإيتلين والإستلين والبروبيلين والبوتيلين، ينتج من معامل تكرير النفط بعمليات التكسير والإصلاح والتنقية.
هـ ـ غازات التكسير cracking gases: هي وقود غازي مؤلف من مزيج هدروكربونات غير مشبعة غنية بالأوليفينات والهدروجين وهذه الغازات ناتجة عن عمليات تكسير النفط.
و ـ الغاز المستصلح reformed gas: هو وقود غازي، ينتج من معالجة الغازات الطبيعية وغازات التكرير ببخار الماء.
4ـ غاز الفرن العالي: هو وقود غازي، ناتج ثانوي مهم ينبعث من الفرن العالي، ذو قيمة حرارية منخفضة. يستعمل في تسخين هواء النفخ وتوليد بخار الماء.
ثالثاً ـ التركيب الكيمياوي لغازات الوقود:
تتكون غازات الوقود غالباً من نسبة عالية من الهدروجين والهدروكربونات المشبعة، مثل الميتان الذي تبلغ نسبته حتى 90% والإيتان والبروبان والبوتان، والهدروكربونات غير المشبعة مثل الإيتلين والبروبيلين، وكميات ضئيلة من النتروجين، وكبريت الهدروجين، وأول أوكسيد الكربون، ثاني أكسيد الكربون وغازات أخرى مثل الهليوم والأرغون وبخار الماء. تراوح كثافة غازات الوقود بين 0.1 ـ 0.6 أخف من الهواء، يكوّن مع الهواء مزيجاً منفجراً، عديم اللون، ساماً، خانقاً، يحترق بلهب عديم اللون أو أزرق. ناشراً طاقة حرارية كبيرة نسبياً وتبلغ القيمة الحرارية لغازات الوقود بين 3000 ـ 45000 كيلو حريرة/م3، تبعاً لمصدر الوقود الغازي ومنشئه.
رابعاً ـ معالجة غازات الوقود
تخضع غازات الوقود إلى مراحل عدة من المعالجة قبل الاستخدام، كالتصفية والامتزاز والانضغاط والتجفيف والتنقية من الشوائب الميكانيكية مثل الغبار والرمال والمعلقات الصلبة. وتعالج غازات الوقود بالمحلات المائية لنزع الكبريت ومركباته، وبالمُحِلات القلوية لامتصاص الغازات الحمضية أو بالتنقية الفيزيائية لامتصاص الشوائب مثل غاز أول وثاني أكسيد الكربون، وذلك في درجات الحرارة المنخفضة.
خامساً ـ استخدامات غازات الوقود:
تستخدم الغازات في مجالات عدة أهمها:
1ـ في الحياة العامة: تستخدم لأغراض منزلية في الطبخ والتدفئة.
2ـ في المجالات الزراعية: تستخدم سماداً آزوتياً.
3ـ في المجالات الصناعية: تستخدم في التفاعلات الكيمياوية وإنتاج المواد الكيمياوية مثل الميتانول، البنزن، التولوين، النفتالين، الانتراسين، الفينول، ضروب الكريزول، البيريدين، الكربون الصناعي. وفي صناعة الفولاذ والمطاط واللدائن والأصبغة والزجاج والخزف وعمليات اللحام والقطع ومصانع العربات والقاطرات. كما يستخدم الغاز وقوداً في المركبات والآلات والمعدات الهندسية والسكك الحديدية ومسخنات الهواء والمراجل البخارية والصناعية والعنفات.
4ـ في المجالات الطبية: تستخدم في صناعة الأدوية والمستحضرات الطبية ومواد التجميل.
5ـ في المجالات العسكرية: تستخدم في صناعة المتفجرات العضوية ووقود الصواريخ والمركبات الفضائية.
عدنان يوسف عبود
Fuel gas - Gaz inflammable
غازات الوقود
غازات الوقود fuel gas مزيج طبيعي من الهدروكربونات من C1 حتى C5، مختلفة التراكيب، مشبعة الأبخرة، منتشرة حرّة، مرافقة أو منحلة في الطبقات المائية أو النفط الخام في أعماق القشرة الأرضية، أو تستخرج من الفحم الحجري أو في عمليات تكرير النفط. تولِّد غازات الوقود طاقة حرارية كبيرة عند احتراقها مع الأكسجين.
أولاً ـ لمحة تاريخية
عرف الإنسان غازات الوقود مع اكتشافه غازات المستنقعات القابلة للاشتعال، لوجود غاز الميتان، فيها وكذلك من الفحم الحجري لما استخرج منه غاز الفحم الحجري عام 1792م في فرنسا وبريطانيا، وسميّ غاز الاستصباح، لاستعماله في الإنارة. وازداد الاعتماد على الفحم الحجري. ومع قيام الثورة الصناعية تطورت طرائق الاستفادة من غازات الوقود المستخرجة من المناجم، وغاز الكوك وغاز المولدات والغاز المائي والغاز الأزرق حتى بداية الحرب العالية الأولى (1914ـ 1918) وازداد الاعتماد على النفط، الذي تطورت صناعته وتنوعت منتجاته البتروكيماوية تنوعاً كبيراً، وطُبِّقت تقانات صناعية جديدة في أوربا وخاصةً ألمانيا، خوفاً من نفاد مصادر الطاقة في أثناء الحرب. وقد تواصل البحث والاستكشاف في الخمسينيات والستينيات من القرن العشرين فتنوعت مصادر الغاز الطبيعي وتباينت أنواعه المختلفة وصارت مصدراً مهماً من مصادر الطاقة في الوطن العربي ودول آسيا ورابطة الدول المستقلة وأوربا وأمريكا وأستراليا. وبقيت إفريقيا الجنوبية تعتمد على مصادر الطاقة من غازات الوقود المستخرجة من الفحم الحجري حتى اليوم. ولم يكن في الوطن العربي مصدر للطاقة قبل اكتشاف النفط والغاز، لعدم توافر مناجم تذكر للفحم الحجري ولعدم إمكان استخدام منتجاته في الطاقة أو الصناعة.
ثانياً ـ أنواع غازات الوقود
تتميز غازات الوقود باختلاف صفاتها وتراكيبها ومصادرها وهي:
1ـ غازات الوقود الطبيعية: هي غازات قابلة للاحتراق موجودة في جوف الأرض على أعماق كبيرة أو ناتجة من مكامن طبيعية وهي نوعان:
أـ غازات المستنقعات marsh gases: هي غازات قابلة للاحتراق تنطلق من قاع المستنقعات نتيجة تفسخ البقايا النباتية بفعل البكتريا في شروط طبيعية بمعزل عن الهواء، وتحتوي على نسبة كبيرة من الميتان، ونسبة قليلة من النتروجين وأول وثاني أكسيد الكربون.
ب ـ الغاز الطبيعي natural gas: وهو غاز طبيعي صاف قابل للاحتراق يتجمع تحت سطح الأرض، يتكون من هدروكربونات مشبعة (C1 ـ C5) إضافة إلى أكسيد الكربون، وكبريت الهدروجين، والآزوت (النتروجين) وبعض الغازات النادرة كالهليوم، ذات وزن جزيئي منخفض. يستخرج الغاز الطبيعي من جيوب في عمق الأرض ويسمى مكمن غازي.
2ـ غازات الفحم الحجري: هي الغازات الناتجة من التقطير الإتلافي للفحم الحجري ومن بقايا نواتجه الصلبة كفحم الكوك وغيره وأهم أنواعها:
أـ غاز المناجم mine gas: هو غاز ينطلق من مناجم الفحم الحجري، يتكون من الميتان ويكون مع الهواء غازاً سريع الانفجار.
ب ـ غاز الاستصباح coal gas: هو وقود غازي قابل للاحتراق، يستحصل من الفحم الحجري إما طبيعياً أو صناعياً، أو بتحويل الفحم إلى غازgasification تحت سطح الأرض، ويتكون من مزيج غازات أساسها الهدروجين 50% والميتان 35 % وأول أكسيد الكربون 8% وثاني أكسيد الكربون 2% والآزوت 2% وهدروكربونات أخرى.
ج ـ غاز الكوك coke - oven gas: هو وقود غازي متولد من عملية تحويل الفحم الحجري إلى فحم كوك في الأفران، يتميز بطاقة حرارية عالية. يتكون أساساً من الهدروجين بنسبة كبيرة والميتان وأول أكسيد الكربون ويحتوي على شوائب أخرى، غير قابلة للاحتراق كغاز النشادر والنتروجين وثاني أوكسيد الكربون.
د ـ غاز المولدات producer gas (air gas): هو وقود غازي يتكون من مزيج أول أوكسيد الكربون والنتروجين، ينتج بإمرار الهواء على طبقة سميكة من الفحم المتوهج.
هـ ـ غاز الماء water gas: هو وقود غازي يتكون من مزيج أول أوكسيد الكربون والهدروجين 83 ـ 86%، ينتج بإمرار بخار الماء على طبقة سميكة من الفحم المتوهج.
و ـ غاز الماء الأزرق (الغاز الأزرق) bluewater gas (blue gas): هو وقود غازي يتكون من مزيج أول أوكسيد الكربون والهيدروجين بنسب متساوية، ينتج بإمرار بخار الماء على طبقة سميكة من فحم الكوك الساخن.
زـ الغاز الفقير lean gas: هو وقود غازي يتكون من مزيج الهدروجين 32% والميتان 20% والهدروكربونات 17% وأول أكسيد الكربون 26% وثاني أكسيد الكربون والآزوت 5% ينتج من تفكك بخار الماء على طبقة سميكة من الفحم المتوهج.
3ـ غازات النفط petroleum gases: هي مزيج من هدروكربونات غازية مرافقة أو منحلة في النفط، وتنقسم إلى غازات جافة تحتوي على نسبة كبيرة من الميتان وكميات قليلة من الإيتان والبروبان والبوتان والبروبيلين، وغازات رطبة سهلة التميع تحتوي على كميات كبيرة من البروبان والبوتان وكميات ضئيلة من الميتان والإيتلين.
أـ غازات فتحات الآبار النفطية cap gasses: وهي طبقة الغازات التي تعلو النفط الخام وتسمى غازات رأس البطانة أو القبعة الغازية، تعد وقوداً غازياً عالي الكفاءة، يتكون من هيدروكربونات كالإيتان والبروبان والبوتان. ويتعلق تركيب الغازات بمكان المكمن النفطي.
ب ـ غازات حقول النفط (الغاز المرافق)associated gasses: هي الغازات المرافقة للنفط وتكون على عمق كبير وتحت ضغط مرتفع ذائبة في النفط، ينفصل الغاز عن النفط عند خروجه إلى سطح الأرض بفعل انخفاض الضغط، وتعد غازات مشبعة لاتحتوي على الهدروجين وغنية بالبروبان والبوتان.
ج ـ غاز البترول المسيل liquefied petroleum gas (LPG) أو الغاز المعبأ bottled gas: هو وقود غازي يتألف من هدروكربونات في الطور السائل تحت درجة 25 درجة جوي ودرجة حرارة 18ـ20 ْم يتحول إلى الطور الغازي عند انخفاض الضغط، ويتكون من كميات متفاوتة من البروبان والبوتان.
د ـ غازات التكرير refinery gases: هي وقود غازي مؤلف من مزيج هدروكربونات مشبعة كالميتان والإيتان وغير مشبعة كالإيتلين والإستلين والبروبيلين والبوتيلين، ينتج من معامل تكرير النفط بعمليات التكسير والإصلاح والتنقية.
هـ ـ غازات التكسير cracking gases: هي وقود غازي مؤلف من مزيج هدروكربونات غير مشبعة غنية بالأوليفينات والهدروجين وهذه الغازات ناتجة عن عمليات تكسير النفط.
و ـ الغاز المستصلح reformed gas: هو وقود غازي، ينتج من معالجة الغازات الطبيعية وغازات التكرير ببخار الماء.
4ـ غاز الفرن العالي: هو وقود غازي، ناتج ثانوي مهم ينبعث من الفرن العالي، ذو قيمة حرارية منخفضة. يستعمل في تسخين هواء النفخ وتوليد بخار الماء.
ثالثاً ـ التركيب الكيمياوي لغازات الوقود:
تتكون غازات الوقود غالباً من نسبة عالية من الهدروجين والهدروكربونات المشبعة، مثل الميتان الذي تبلغ نسبته حتى 90% والإيتان والبروبان والبوتان، والهدروكربونات غير المشبعة مثل الإيتلين والبروبيلين، وكميات ضئيلة من النتروجين، وكبريت الهدروجين، وأول أوكسيد الكربون، ثاني أكسيد الكربون وغازات أخرى مثل الهليوم والأرغون وبخار الماء. تراوح كثافة غازات الوقود بين 0.1 ـ 0.6 أخف من الهواء، يكوّن مع الهواء مزيجاً منفجراً، عديم اللون، ساماً، خانقاً، يحترق بلهب عديم اللون أو أزرق. ناشراً طاقة حرارية كبيرة نسبياً وتبلغ القيمة الحرارية لغازات الوقود بين 3000 ـ 45000 كيلو حريرة/م3، تبعاً لمصدر الوقود الغازي ومنشئه.
رابعاً ـ معالجة غازات الوقود
تخضع غازات الوقود إلى مراحل عدة من المعالجة قبل الاستخدام، كالتصفية والامتزاز والانضغاط والتجفيف والتنقية من الشوائب الميكانيكية مثل الغبار والرمال والمعلقات الصلبة. وتعالج غازات الوقود بالمحلات المائية لنزع الكبريت ومركباته، وبالمُحِلات القلوية لامتصاص الغازات الحمضية أو بالتنقية الفيزيائية لامتصاص الشوائب مثل غاز أول وثاني أكسيد الكربون، وذلك في درجات الحرارة المنخفضة.
خامساً ـ استخدامات غازات الوقود:
تستخدم الغازات في مجالات عدة أهمها:
1ـ في الحياة العامة: تستخدم لأغراض منزلية في الطبخ والتدفئة.
2ـ في المجالات الزراعية: تستخدم سماداً آزوتياً.
3ـ في المجالات الصناعية: تستخدم في التفاعلات الكيمياوية وإنتاج المواد الكيمياوية مثل الميتانول، البنزن، التولوين، النفتالين، الانتراسين، الفينول، ضروب الكريزول، البيريدين، الكربون الصناعي. وفي صناعة الفولاذ والمطاط واللدائن والأصبغة والزجاج والخزف وعمليات اللحام والقطع ومصانع العربات والقاطرات. كما يستخدم الغاز وقوداً في المركبات والآلات والمعدات الهندسية والسكك الحديدية ومسخنات الهواء والمراجل البخارية والصناعية والعنفات.
4ـ في المجالات الطبية: تستخدم في صناعة الأدوية والمستحضرات الطبية ومواد التجميل.
5ـ في المجالات العسكرية: تستخدم في صناعة المتفجرات العضوية ووقود الصواريخ والمركبات الفضائية.
عدنان يوسف عبود