Vše o zemním plynu: složení a vlastnosti, výroba a využití zemního plynu

Vzhledem ke své vysoké energetické účinnosti a šetrnosti k životnímu prostředí má zemní plyn spolu s ropou prvořadý význam.Je široce používán jako palivo a slouží také jako cenná surovina pro chemický průmysl.

A přestože se používání plynu stalo každodenním a známým, stále zůstává složitou a spíše nebezpečnou látkou - aby se dostal do hořáku plynového spotřebiče, prochází dlouhou a složitou cestou.

V článku rozebereme hlavní problémy spojené s přírodním hořlavým plynem - povíme si o jeho složení a vlastnostech, popíšeme fáze výroby plynu, přepravu a zpracování a rozsah jeho použití. Uvažujme o moderních představách o původu zásob uhlovodíků, zajímavých faktech a hypotézách.

Co je přírodní hořlavý plyn?

Existuje názor, že plyn leží pod zemí v dutinách a odtud se snadno získává, k čemuž stačí vyvrtat studnu. Ale ve skutečnosti je všechno mnohem složitější: plyn může být uvnitř porézní horniny, může být rozpuštěn ve vodě, kapalných uhlovodících a ropě.

Abychom pochopili, proč se to děje, stačí si zapamatovat, že slovo „plyn“ pochází z řeckého „chaos“, který odráží princip chování látky. V plynném stavu se molekuly pohybují chaoticky a snaží se rovnoměrně zaplnit celý možný objem. Díky tomu jsou schopny pronikat a rozpouštět se v jiných látkách, včetně hustších kapalin a minerálů. Vysoký tlak a teplota výrazně zlepšují proces difúze.Často je to ve formě takového „koktejlu“, že zemní plyn je obsažen v podloží.

Nejprve si ale řekněme, z čeho se plyn skládá a co to je – podívejme se na chemické složení a fyzikální vlastnosti přírodního hořlavého plynu.

Vlastnosti chemického složení

Plyn vytěžený z podloží, kterému se říká „přírodní“, je směsí různých plynů.

Podle složení se dělí na tři skupiny složek:

• hořlavý – uhlovodíky;
• nehořlavé (předřadníky) – dusík, oxid uhličitý, kyslík, helium, vodní pára;
• škodlivý nečistoty – sirovodík a merkaptany.

První a hlavní skupinou je soubor metanových uhlovodíků (homologů) s počtem atomů uhlíku od 1 do 5. Největší procento ve směsi je metan (od 70 do 98 %), který má jeden atom uhlíku. Obsah ostatních plynů (ethan, propan, butan, pentan) se pohybuje v jednotkách až desetinách procenta.

Plyn těžený z polí se vyznačuje vysokou koncentrací metanu. Ve vedlejším produktu extrahovaném z ropy je podíl metanu mnohem nižší: 30 – 60 % a homology jsou vyšší: 10 – 20 %.

Kromě uhlovodíků může směs obsahovat v malém množství nehořlavé látky: sirovodík, dusík, oxid uhličitý, oxid uhelnatý, vodík a další. Ale v závislosti na oboru se podíly uhlovodíků, stejně jako složení jiných plynů, mohou výrazně lišit.

Fyzikální vlastnosti plynu

Podle fyzikálních vlastností metanu CH₄ bezbarvý a bez zápachu, velmi hořlavý. Při koncentraci vzduchu vyšší než 4,5 % – explozivní. Tato vlastnost v kombinaci s nedostatkem zápachu představuje velkou hrozbu a problém. Zejména v dolech, protože metan je absorbován uhlím.

O příčinách výbuchů plynu v domácích podmínkách jsme psali v tento materiál.

Aby byl plyn cítit, aby bylo možné detekovat jeho úniky, před přepravou se do něj přidávají speciální látky s nepříjemným zápachem - odoranty. Nejčastěji se jedná o sloučeniny obsahující síru - ethanthiol nebo ethylmerkaptan. Podíl nečistoty se volí tak, aby byl únik patrný při koncentraci plynu 1 %.

Hlavní výhodou modrého paliva je jeho vysoké měrné spalné teplo - 39 MJ/kg. Tím se uvolňují neškodné látky: voda a oxid uhličitý. To je také důležitý faktor umožňující využití metanu v každodenním životě

Odkud se v hlubinách země bere plyn?

Přestože se lidé naučili používat plyn před více než 200 lety, stále neexistuje shoda v tom, odkud plyn v útrobách Země pochází.

Hlavní teorie původu

Existují dvě hlavní teorie jeho původu:

• minerální, která vysvětluje vznik plynu procesy odplyňování uhlovodíků z hlubších a hustších vrstev země a jejich stoupáním do zón s nižším tlakem;
• organický (biogenní), podle kterého je plyn produktem rozkladu zbytků živých organismů za podmínek vysokého tlaku, teploty a nedostatku vzduchu.

V poli může být plyn ve formě samostatné akumulace, plynového uzávěru, roztoku v oleji nebo vodě nebo hydrátů plynu. V druhém případě se ložiska nacházejí v porézních horninách mezi plynotěsnými vrstvami jílu. Nejčastěji se jedná o zhutněné pískovce, karbonáty a vápence.

Podíl konvenčních nalezišť plynu je pouze 0,8 %. O něco větší procento připadá na hlubinný, uhelný a břidlicový plyn – od 1,4 do 1,9 %.Nejběžnějšími typy usazenin jsou ve vodě rozpuštěné plyny a hydráty - v přibližně stejných poměrech (každý 46,9 %).

Vzhledem k tomu, že plyn je lehčí než ropa a voda je těžší, je poloha minerálů v nádrži vždy stejná: plyn je na ropě a voda podpírá celé ropné a plynové pole zespodu.

Plyn ve formaci je pod tlakem. Čím jsou ložiska hlubší, tím je vyšší. V průměru na každých 10 metrů je nárůst tlaku 0,1 MPa. Existují vrstvy s abnormálně vysokým tlakem. Například v Achimovských ložiscích pole Urengoy dosahuje 600 atmosfér a výše v hloubce 3800 až 4500 m.

Zajímavá fakta a hypotézy

Není to tak dávno, co se věřilo, že světové zásoby ropy a plynu by měly být vyčerpány na začátku 21. století. Například autoritativní americký geofyzik Hubbert o tom psal v roce 1965.

K dnešnímu dni mnoho zemí nadále zvyšuje tempo těžby plynu. Neexistují žádné skutečné známky toho, že by zásoby uhlovodíků docházely

Podle doktora geologických a mineralogických věd V.V. Polevanova, takové mylné představy jsou způsobeny tím, že teorie organického původu ropy a plynu je stále obecně přijímána a ovládá mysl většiny vědců. I když stále D.I. Mendělejev podložil teorii o anorganickém hlubokém původu ropy a pak to dokázali Kudryavtsev a V.R. Larin.

Proti organickému původu uhlovodíků ale hovoří mnoho faktů.

Tady jsou některé z nich:

• byla objevena ložiska v hloubkách až 11 km, v krystalických podložích, kde existence organické hmoty nemůže být ani teoreticky možná;
• pomocí organické teorie lze vysvětlit pouze 10 % zásob uhlovodíků, zbývajících 90 % je nevysvětlitelných;
• Vesmírná sonda Cassini objevila v roce 2000 na Saturnově měsíci Titan gigantické uhlovodíkové zdroje ve formě jezer, o několik řádů větších než na Zemi.

Hypotéza původně hydridové Země předložená Larinem vysvětluje původ uhlovodíků reakcí vodíku s uhlíkem v hlubinách země a následným odplyněním metanu.

Podle ní neexistují žádná starověká ložiska jurského období. Veškerá ropa a plyn mohly vzniknout před 1 až 15 tisíci lety. Jak selekce pokračuje, zásoby mohou být postupně doplňovány, což bylo zaznamenáno v dávno vyčerpaných a opuštěných ropných polích.

Jak probíhá těžba a přeprava?

Proces těžby přírodního hořlavého plynu začíná výstavbou studní. V závislosti na výskytu plynonosného útvaru může jejich hloubka dosahovat 7 km. Jak vrtání postupuje, potrubí (plášť) je spuštěno do studny. Aby plyn neunikal prostorem mezi potrubím a stěnami studny, provádí se ucpání - vyplnění mezery hlínou nebo cementem.

Na konci stavby je jeřáb odstraněn a vánoční strom je instalován na hlavu pláště. Jedná se o konstrukci šoupátek a používá se k extrakci plynu z vrtu.

Počet studní může být poměrně velký.

Xmas tree má několik funkcí: drží čerpací a kompresorové potrubí zavěšené ve studni, řídí provozní režimy a měří parametry vnější a vnitřní části studny.

Celý cyklus výroby přírodního spalitelného plynu probíhá ve třech fázích:

1. Rozvoj plynového pole. V důsledku vrtání vzniká tlakový rozdíl. Díky tomu se plyn přesouvá formací do vrtů.
2. Provoz plynových vrtů. V této fázi plyn prochází pláštěm.
3. Sběr a příprava k přepravě. Plyn ze všech vánočních stromků je dodáván do speciálních technologických komplexů úpravny plynu. Vysušují plyn, čištění od škodlivých nečistot.

Již malé koncentrace sirovodíku, vodní páry nebo pevných částic vedou k rychlé korozi, tvorbě hydrátů a mechanickému poškození vnitřního povrchu potrubí.

Finální příprava na přepravu probíhá v centrále. Zahrnuje dočištění a odstranění uhlovodíkového kondenzátu, chlazení plynu pro zmenšení jeho objemu.

Hlavním typem přepravy plynu na velké vzdálenosti je hlavní plynovod. Jedná se o systém složitých inženýrských staveb od samotných potrubí až po podzemních skladovacích zařízení.

V koncovém bodě plynovodu jsou distribuční stanice plynu (GDS). Zde dochází k dočištění od prachu a kapalných nečistot, snížení tlaku na úroveň požadovanou spotřebiteli, jeho stabilizaci, zohlednění spotřeby plynu a přidání odorantu.

Dalším běžným typem přepravy metanu je námořní přeprava speciálními plavidly – ​​přepravci plynu.

Obrovské kulové nádrže nedovolí, aby byl nosič plynu zaměněn s jinými typy lodí. Jsou to termosky, které udržují stálou požadovanou teplotu pro kapalný metan -163 °C

Přeměna plynu na kapalné skupenství se provádí ve speciálních LNG zařízeních. Proces probíhá ve dvou fázích: nejprve se metan ochladí na -50 °C a poté na -163 °C. Zároveň se jeho objem zmenší 600krát.

Zpracování a rozsah aplikace

Vysoká hořlavost zemního plynu určuje jeho hlavní použití. Používá se jako palivo v továrnách, továrnách, tepelných elektrárnách, kotelnách, institucích, obytných budovách, zemědělských zařízeních a mnoha dalších. Doporučujeme přečíst si pravidla používání plynu v každodenním životě.

Produkce a rafinace ropy je vždy doprovázena uvolňováním souvisejícího plynu. V některých případech mohou být jeho objemy působivé a dosahovat až 300 metrů krychlových na metr krychlový ropy.

Existuje však velké množství polí, kde se zemní plyn nevyužívá, ale spaluje se. Například v celém Rusku se tímto způsobem ztrácí až 25 % užitečných surovin.

Část souvisejícího plynu je dodávána do zařízení na zpracování plynu. Z něj se získává vyčištěný suchý plyn, který se používá k vytápění. Další cennou složkou je směs lehkých uhlovodíků.

Diagram ukazuje obecný obrázek procesu zpracování vyrobeného plynu. Roli finálních produktů pro moderní chemický průmysl nelze přeceňovat

Ve speciálních instalacích se pak dělí na frakce. Výsledkem jsou uhlovodíky, jako je propan, butan, isobutan a pentan. Chcete-li snížit objem, snadnou přepravu a skladování zkapalnit.

Přestavba automobilů na plyn se rychle vyplatí a přináší značné úspory nákladů. Rozšiřování sítě čerpacích stanic přispívá k nárůstu vozového parku vozů s LPG. Profitují nejen řidiči, ale i chodci, kteří nemusí dýchat škodlivé zplodiny

K vytápění domácností se používá propan a butan plyn v lahvích nebo pro auta. Většina ale jde na další zpracování v petrochemické výrobě.

Vysokoteplotním ohřevem (pyrolýzou) se z nich získává hlavní surovina pro všechny syntetické materiály - monomery: etylen, propylen, butadien. Pod vlivem katalyzátorů se spojují do polymerů. Výstupem jsou tak cenné materiály jako pryž, PVC, polyetylen a mnoho dalších.

Závěry a užitečné video k tématu

Dokument vypráví o plynu přístupným a názorným způsobem:

Tento vzdělávací film je věnován hlavní přepravě plynu:

O zemním plynu stále nevíme vše – jeho původ stále skrývá mnoho záhad. Nezbývá než doufat, že modré palivo je skutečně nevyčerpatelným darem, který nám a našim potomkům bude stačit.

Máte po přečtení výše uvedeného materiálu ještě nějaké otázky? Nebo chcete článek doplnit užitečnými komentáři, zajímavostmi či fotografiemi? Pište své komentáře, ptejte se, zapojte se do diskuze – formulář pro zpětnou vazbu se nachází níže.