Všetko o zemnom plyne: zloženie a vlastnosti, výroba a využitie zemného plynu
Zemný plyn má spolu s ropou pre svoju vysokú energetickú účinnosť a šetrnosť k životnému prostrediu prvoradý význam.Je široko používaný ako palivo a slúži aj ako cenná surovina pre chemický priemysel.
A hoci sa používanie plynu stalo každodenným a známym, stále zostáva zložitou a dosť nebezpečnou látkou - aby sa dostal do horáka plynového zariadenia, prechádza dlhou a zložitou cestou.
V článku rozoberieme hlavné problémy súvisiace s prírodným horľavým plynom – povieme si o jeho zložení a vlastnostiach, popíšeme fázy výroby plynu, prepravy a spracovania a rozsah jeho použitia. Uvažujme o moderných predstavách o pôvode zásob uhľovodíkov, zaujímavých faktoch a hypotézach.
Obsah článku:
Čo je prírodný horľavý plyn?
Existuje názor, že plyn leží pod zemou v dutinách a odtiaľ sa ľahko získava, na čo stačí vyvŕtať studňu. Ale v skutočnosti je všetko oveľa komplikovanejšie: plyn môže byť vo vnútri poréznej horniny, môže byť rozpustený vo vode, tekutých uhľovodíkoch a oleji.
Aby sme pochopili, prečo sa to deje, stačí si uvedomiť, že slovo „plyn“ pochádza z gréckeho „chaos“, ktorý odráža princíp správania sa látky. V plynnom stave sa molekuly pohybujú chaoticky a snažia sa rovnomerne vyplniť celý možný objem. Vďaka tomu sú schopné prenikať a rozpúšťať sa v iných látkach, vrátane hustejších kvapalín a minerálov. Vysoký tlak a teplota výrazne zlepšujú proces difúzie.Často je to vo forme takého „koktailu“, že zemný plyn je obsiahnutý v podloží.
Najprv si však povedzme, z čoho plyn pozostáva a čo to je – pozrime sa na chemické zloženie a fyzikálne vlastnosti prírodného horľavého plynu.
Vlastnosti chemického zloženia
Plyn extrahovaný z podložia, ktorý sa nazýva „prírodný“, je zmesou rôznych plynov.
Podľa zloženia je rozdelená do troch skupín komponentov:
- horľavý – uhľovodíky;
- nehorľavý (predradníkov) – dusík, oxid uhličitý, kyslík, hélium, vodná para;
- škodlivé nečistoty – sírovodík a merkaptány.
Prvou a hlavnou skupinou je súbor metánových uhľovodíkov (homológov) s počtom atómov uhlíka od 1 do 5. Najväčšie percento v zmesi je metán (od 70 do 98 %), ktorý má jeden atóm uhlíka. Obsah ostatných plynov (etán, propán, bután, pentán) sa pohybuje v jednotkách až desatinách percent.
Okrem uhľovodíkov môže zmes v malých množstvách obsahovať nehorľavé látky: sírovodík, dusík, oxid uhličitý, oxid uhoľnatý, vodík a iné. V závislosti od oblasti sa však pomery uhľovodíkov, ako aj zloženie iných plynov, môžu výrazne líšiť.
Fyzikálne vlastnosti plynu
Podľa fyzikálnych vlastností metánu CH4 bezfarebný a bez zápachu, veľmi horľavý. Pri koncentráciách vzduchu vyšších ako 4,5 % – výbušný. Táto vlastnosť v kombinácii s nedostatkom zápachu predstavuje veľkú hrozbu a problém. Najmä v baniach, keďže metán je absorbovaný uhlím.
O príčinách výbuchov plynu v domácich podmienkach sme písali v r tento materiál.
Aby bol plyn pachový, aby bolo možné zistiť jeho úniky, pred prepravou sa do neho pridávajú špeciálne látky s nepríjemným zápachom - odoranty. Najčastejšie ide o zlúčeniny obsahujúce síru - etántiol alebo etylmerkaptán. Podiel nečistoty sa volí tak, aby bol únik viditeľný pri koncentrácii plynu 1 %.
Odkiaľ pochádza plyn z hlbín zeme?
Hoci sa ľudia naučili používať plyn pred viac ako 200 rokmi, stále neexistuje konsenzus o tom, odkiaľ plyn v útrobách zeme pochádza.
Hlavné teórie pôvodu
Existujú dve hlavné teórie jeho pôvodu:
- minerál, ktorý vysvetľuje vznik plynu procesmi odplyňovania uhľovodíkov z hlbších a hustejších vrstiev zeme a ich stúpaním do zón s nižším tlakom;
- organické (biogénne), podľa ktorého plyn je produktom rozkladu zvyškov živých organizmov v podmienkach vysokého tlaku, teploty a nedostatku vzduchu.
V poli môže byť plyn vo forme oddelenej akumulácie, plynového uzáveru, roztoku v oleji alebo vode alebo hydrátov plynu. V druhom prípade sa ložiská nachádzajú v pórovitých horninách medzi plynotesnými vrstvami ílu. Najčastejšie sú takéto horniny zhutnené pieskovce, karbonáty a vápence.
Keďže plyn je ľahší ako ropa a voda je ťažšia, poloha minerálov v zásobníku je vždy rovnaká: plyn je na vrchu ropy a voda podopiera celé ropné a plynové pole zospodu.
Plyn vo formácii je pod tlakom. Čím hlbšie sú ložiská, tým je vyššia. V priemere na každých 10 metrov je nárast tlaku 0,1 MPa. Existujú vrstvy s abnormálne vysokým tlakom. Napríklad v Achimovských ložiskách poľa Urengoy dosahuje 600 atmosfér a vyššie v hĺbke 3800 až 4500 m.
Zaujímavé fakty a hypotézy
Nie je to tak dávno, čo sa verilo, že svetové zásoby ropy a plynu by sa mali vyčerpať začiatkom 21. storočia. Napríklad autoritatívny americký geofyzik Hubbert o tom napísal v roku 1965.
Podľa doktora geologických a mineralogických vied V.V. Polevanova, takéto mylné predstavy sú spôsobené tým, že teória organického pôvodu ropy a plynu je stále všeobecne akceptovaná a ovláda mysle väčšiny vedcov. Hoci stále D.I. Mendelejev podložil teóriu o anorganickom hlbokom pôvode ropy a potom to dokázali Kudryavtsev a V.R. Larin.
Mnohé fakty ale hovoria proti organickému pôvodu uhľovodíkov.
Tu sú niektoré z nich:
- boli objavené ložiská v hĺbkach až 11 km, v kryštalických podložiach, kde existencia organickej hmoty nemôže byť ani teoreticky možná;
- pomocou organickej teórie možno vysvetliť len 10 % zásob uhľovodíkov, zvyšných 90 % je nevysvetliteľných;
- Vesmírna sonda Cassini objavila v roku 2000 na Saturnovom mesiaci Titan gigantické uhľovodíkové zdroje vo forme jazier, o niekoľko rádov väčších ako na Zemi.
Hypotéza pôvodne hydridovej Zeme, ktorú predložil Larin, vysvetľuje pôvod uhľovodíkov reakciou vodíka s uhlíkom v hlbinách zeme a následným odplyňovaním metánu.
Podľa nej neexistujú žiadne staroveké ložiská z obdobia jury. Všetka ropa a plyn mohli vzniknúť pred 1 až 15 tisíc rokmi. Ako postupuje selekcia, zásoby sa môžu postupne dopĺňať, čo bolo zaznamenané na dávno vyčerpaných a opustených ropných poliach.
Ako prebieha ťažba a preprava?
Proces ťažby prírodného horľavého plynu začína výstavbou studní. V závislosti od výskytu plynonosnej formácie môže ich hĺbka dosiahnuť 7 km. Ako vŕtanie postupuje, potrubie (puzdro) sa spúšťa do studne. Aby sa zabránilo úniku plynu cez priestor medzi potrubím a stenami studne, vykoná sa upchávanie - vyplnenie medzery hlinou alebo cementom.
Na konci stavby sa žeriav odstráni a vianočný strom sa nainštaluje na hlavu plášťa. Je to konštrukcia posúvačov a používa sa na extrakciu plynu z vrtu.
Počet jamiek môže byť dosť veľký.
Celý cyklus výroby prírodného horľavého plynu prebieha v troch fázach:
- Rozvoj plynového poľa. V dôsledku vŕtania sa vytvára tlakový rozdiel. Vďaka tomu sa plyn presúva cez formáciu do studní.
- Prevádzka plynových studní. V tomto štádiu plyn prechádza cez plášť.
- Odber a príprava na prepravu. Plyn zo všetkých vianočných stromčekov sa dodáva do špeciálnych technologických komplexov čističky plynov. Vysušia plyn, čistenie od škodlivých nečistôt.
Už malé koncentrácie sírovodíka, vodnej pary alebo pevných častíc vedú k rýchlej korózii, tvorbe hydrátov a mechanickému poškodeniu vnútorného povrchu potrubia.
Záverečná príprava na prepravu prebieha v centrále. Zahŕňa dodatočnú úpravu a odstránenie uhľovodíkového kondenzátu, chladenie plynu na zníženie jeho objemu.
Hlavným typom prepravy plynu na veľké vzdialenosti je hlavný plynovod. Ide o systém zložitých inžinierskych stavieb od samotných potrubí až po podzemné skladovacie priestory.
V koncovom bode plynovodu sú distribučné stanice plynu (GDS). Tu prebieha dočistenie od prachu a tekutých nečistôt, tlak sa zníži na úroveň požadovanú spotrebiteľmi, stabilizuje sa, zohľadní sa spotreba plynu a pridá sa odorant.
Ďalším bežným typom prepravy metánu je námorná preprava špeciálnymi plavidlami - prepravcami plynu.
Transformácia plynu do kvapalného stavu sa vykonáva v špeciálnych LNG zariadeniach. Proces prebieha v dvoch fázach: najprv sa metán ochladí na -50 °C a potom na -163 °C. Zároveň sa jeho objem zmenší 600-krát.
Spracovanie a rozsah aplikácie
Vysoká horľavosť zemného plynu určuje jeho hlavné využitie. Používa sa ako palivo v továrňach, továrňach, tepelných elektrárňach, kotolniach, inštitúciách, obytných budovách, poľnohospodárskych zariadeniach a mnohých ďalších. Odporúčame vám prečítať si pravidlá používanie plynu v každodennom živote.
Výroba a rafinácia ropy je vždy sprevádzaná uvoľňovaním súvisiaceho plynu. V niektorých prípadoch môžu byť jej objemy pôsobivé a dosahovať až 300 metrov kubických na meter kubický ropy.
Existuje však veľké množstvo polí, kde sa zemný plyn nevyužíva, ale spaľuje sa. Napríklad v celom Rusku sa takto stráca až 25 % užitočných surovín.
Časť súvisiaceho plynu sa dodáva do zariadení na spracovanie plynu. Z nej sa získava vyčistený suchý plyn, ktorý sa používa na vykurovanie. Ďalšou cennou zložkou je zmes ľahkých uhľovodíkov.
Potom sa v špeciálnych zariadeniach rozdelí na frakcie. Výsledkom sú uhľovodíky ako propán, bután, izobután a pentán. Na zníženie objemu, uľahčenie ich prepravy a skladovania skvapalniť.
Na vykurovanie domácností sa používa propán a bután plyn vo fľašiach alebo pre autá. No väčšina ide na ďalšie spracovanie v petrochemickej výrobe.
Vysokoteplotným ohrevom (pyrolýzou) sa z nich získava hlavná surovina pre všetky syntetické materiály - monoméry: etylén, propylén, butadién. Pod vplyvom katalyzátorov sa spájajú do polymérov. Výstupom sú také cenné materiály ako guma, PVC, polyetylén a mnohé ďalšie.
Závery a užitočné video na túto tému
Dokument rozpráva o plyne prístupným a názorným spôsobom:
Tento vzdelávací film je venovaný hlavnej preprave plynu:
O zemnom plyne stále nevieme všetko – jeho pôvod má stále veľa tajomstiev. Ostáva nám len dúfať, že modré palivo je skutočne nevyčerpateľným darom, ktorý nám a našim potomkom bude stačiť.
Máte po prečítaní vyššie uvedeného materiálu ešte nejaké otázky? Alebo chcete článok doplniť užitočnými komentármi, zaujímavosťami či fotografiami? Píšte svoje pripomienky, pýtajte sa, zapájajte sa do diskusie – formulár spätnej väzby nájdete nižšie.
