Alt om naturgas: sammensætning og egenskaber, udvinding og anvendelse af naturgas

Takket være høj energieffektivitet og miljøvenlighed er naturgas, sammen med olie, af afgørende betydning. Det anvendes bredt som brændstof og fungerer også som en værdifuld råvare for den kemiske industri.

Og selvom brugen af gas er blevet hverdagsagtig og almindelig, forbliver det et sammensat og temmelig farligt stof – for at nå brænderen i et gasapparat gennemgår det en lang og vanskelig vej.

I artiklen vil vi gennemgå de vigtigste spørgsmål vedrørende naturgas – vi taler om dets sammensætning og egenskaber, beskriver stadierne for udvinding, transport og forarbejdning af gas samt dets anvendelsesområder. Vi ser på moderne opfattelser af oprindelsen af kulbrintereserver, interessante fakta og hypoteser.

Hvad er naturgas?

Der er en opfattelse af, at gas ligger under jorden i hulrum og let kan udvindes derfra, hvilket blot kræver at bore et hul. Men i virkeligheden er det meget mere kompliceret: gas kan befinde sig i porøse bjergarter, kan være opløst i vand, flydende kulbrinter, olie.

For at forstå hvorfor dette sker, er det nok at huske, at ordet 'gas' kommer fra græsk 'kaos', som afspejler stoffets adfærdsprincip. I gasform bevæger molekyler sig kaotisk i et forsøg på at fylde al mulig plads jævnt. På grund af dette er de i stand til at trænge ind og opløses i andre stoffer, herunder tættere væsker og mineraler. Højt tryk og temperatur forstærker diffusionsprocessen betydeligt. Ofte findes naturgas i undergrunden netop som en sådan 'cocktail'.

Men lad os først tale om, hvad gas består af, og hvad det er for noget – vi ser på den kemiske sammensætning og de fysiske egenskaber af naturgas.

Kendetegn ved den kemiske sammensætning

Gas, der udvindes fra undergrunden og kaldes 'naturgas', er en blanding af forskellige gasser.

I forhold til sammensætningen opdeles det i tre grupper af komponenter:

• brændbare – kulbrinter;
• ikke-brændbare (ballast) – kvælstof, kuldioxid, ilt, helium, vanddamp;
• skadelige urenheder – svovlbrinte og mercaptaner.

Den første og vigtigste gruppe er et sæt af kulbrinter af metanrækken (homologer) med antallet af carbonatomer fra 1 til 5. Den største procentdel i blandingen er metan (fra 70 til 98 %), som har et carbonatom. Indholdet af de øvrige gasser (ethan, propan, butan, pentan) varierer fra enheder til tiendedele af en procent.

For gas, der udvindes fra felter, er en høj koncentration af metan karakteristisk. I ledsagegas, der udvindes fra olie, er metanandelen meget lavere: 30 – 60 %, og homologerne højere: 10 – 20 %

Ud over kulbrinter kan blandingen indeholde ikke-brændbare stoffer i små mængder: svovlbrinte, nitrogen, kuldioxid, carbonmonoxid, brint og andre. Men afhængigt af feltet kan proportionerne af kulbrinter, ligesom sammensætningen af andre gasser, variere betydeligt.

Gassens fysiske egenskaber

Efter fysiske egenskaber er metan CH₄ uden farve og lugt, meget brændbart. Ved koncentrationer i luften over 4,5 % – eksplosivt. Denne egenskab, kombineret med fravær af lugt, udgør en stor trussel og et problem. Især i miner, da metan absorberes af kul.

Om årsagerne til gasulykker i hjemmet har vi skrevet i dette materiale.

For at give gassen en lugt, med henblik på at opdage lækager, tilsætter man før transport specielle stoffer med en ubehagelig lugt – odoranter. Oftest er det svovlholdige forbindelser – ethanthiol eller ethylmercaptan. Andelen af tilsætning vælges sådan, at en lækage mærkes ved en gaskoncentration på 1 %.

Den største fordel ved blåt brændstof er den høje specifikke forbrændingsvarme – 39 MJ/kg. Samtidig frigives harmløse stoffer: vand og kuldioxid. Dette er også en vigtig faktor, der gør det muligt at bruge metan i hjemmet

Hvor stammer gassen i undergrunden fra?

Selvom mennesker har lært at bruge gas i over 200 år, er der den dag i dag ikke enighed om, hvor gas kommer fra i jordens dyb.

Hovedteorier om oprindelse

Der findes to hovedteorier om dens oprindelse:

• Mineralteorien, der forklarer dannelsen af gas ved afgasning af kulbrinter fra dybere og tættere jordlag og deres stigning til områder med lavere tryk;
• Organisk (biogen), ifølge hvilken gas er et produkt af nedbrydning af rester af levende organismer under forhold med højt tryk, temperatur og fravær af luft.

I et felt kan gas forekomme som en separat samling, en gashat, en opløsning i olie eller vand, eller som gashydrater. I sidstnævnte tilfælde findes forekomsterne i porøse bjergarter mellem gasuigennemtrængelige lag af ler. Oftest er sådanne bjergarter komprimeret sandsten, karbonater, kalksten.

Andelen af almindelige gasfelter udgør kun 0,8%. En lidt større procentdel kommer fra dybde-, kul- og skifergas – fra 1,4 til 1,9%. De mest almindelige forekomsttyper er vandopløste gasser og hydrater – omtrent i lige store andele (hver 46,9%)

Da gas er lettere end olie, og vand er tungere, er fossilerne altid i samme position i laget: gas oven på olie, og vand presser op nedefra hele olie- og gasfeltet.

Gas i laget er under tryk. Jo dybere forekomsten er, desto højere er trykket. I gennemsnit stiger trykket med 0,1 MPa for hver 10 meter. Der findes lag med unormalt højt tryk. For eksempel i Achimov-aflejringerne i Urengoy-feltet når det 600 atmosfærer eller mere i en dybde på 3800 til 4500 m.

Interessante fakta og hypoteser

For ikke så længe siden blev det antaget, at verdens olie- og gasreserver ville være udtømte allerede i begyndelsen af det 21. århundrede. For eksempel skrev den anerkendte amerikanske geofysiker Hubbert dette i 1965.

Indtil nu fortsætter mange lande med at øge tempoet i gasproduktionen. Der er ingen reelle tegn på, at kulbrintereserverne er ved at slippe op.

Ifølge doktor i geologisk-mineralogiske videnskaber V.V. Polevanov skyldes sådanne misforståelser, at den organiske oprindelsesteori for olie og gas stadig er alment accepteret og dominerer de fleste videnskabsfolks sind. Selv om D.I. Mendeleev allerede underbyggede teorien om en uorganisk dyb oprindelse for olie, og dette senere blev bevist af Kudryavtsev og V.R. Larin.

Men mange fakta taler imod den organiske oprindelse af kulbrinter.

Her er nogle af dem:

• felter er opdaget i dybder op til 11 km, i krystallinske fundamenter, hvor eksistensen af organisk materiale ikke engang teoretisk kan være mulig;
• ved hjælp af den organiske teori kan kun 10 % af kulbrintereserverne forklares, de resterende 90 % er uforklarlige;
• rum-sonden 'Cassini' opdagede i år 2000 gigantiske kulbrinteressourcer i form af søer på Saturns måne Titan, flere størrelsesordener større end på Jorden.

Den hypotese, Larin fremsatte om en oprindelig hydridjord, forklarer kulbrinternes oprindelse ved en reaktion mellem hydrogen og kulstof i jordens dybder og efterfølgende metanafgasning.

Ifølge den findes der ingen gamle jurassiske forekomster. Al olie og gas kan være dannet inden for 1 til 15 tusind år siden. Efterhånden som der udvindes, kan reserven gradvist genopfyldes, hvilket er blevet observeret i længst udvundne og forladte oliefelter.

Hvordan foregår udvinding og transport?

Processen med at udvinde naturlig brændselsgas begynder med boring af brønde. Afhængigt af gasførende lags dybde kan de nå 7 km. Efterhånden som der bores, sænkes et rør (foringsrør) ned i brønden. For at forhindre gas i at slippe ud gennem mellemrummet mellem røret og brøndvæggene udføres cementering – fyldning af mellemrummet med ler eller cement.

Efter færdiggørelsen af byggeriet fjernes boretårnet, og på toppen af foringsrøret installeres en juletræsventil. Den består af en konstruktion med spjæld og ventiler og bruges til at udtage gas fra boringen.

Antallet af boringer kan være ret stort.

Juletræsventilen har flere funktioner: den holder produktionsrørene svævende i boringen, styrer arbejdsforholdene, og måler parametre for boringens ydre og indre dele.

Den samlede cyklus for udvinding af naturlig brændbar gas foregår i tre faser:

1. Udvikling af gasfeltet. Ved boring skabes en trykforskel. Derved bevæger gassen sig gennem formationen til boringerne.
2. Drift af gasboringer. I denne fase passerer gassen gennem foringsrøret.
3. Opsamling og forberedelse til transport. Gassen fra alle juletræsventilerne føres til specielle teknologiske komplekser UKPG. Her foregår tørring af gassen, rensning fra skadelige urenheder.

Selv små koncentrationer af svovlbrinte, vanddamp eller faste partikler fører til hurtig korrosion, hydratdannelse og mekaniske skader på rørledningens indre overflade.

Den endelige forberedelse til transport foregår på hovedanlæggene. Den omfatter yderligere rensning og fjernelse af kulbrintekondensat, nedkøling af gassen for at reducere dens volumen.

Den primære transportform for gas over lange afstande er hovedgasledningen. Den består af et system af komplekse ingeniørkonstruktioner fra selve rørledningerne til underjordiske lagre.

Ved hovedledningens slutpunkt er der gasfordelingsstationer (GRS). Her sker den sidste rensning for urenheder som støv og væsker, trykreduktion til det niveau, forbrugerne har brug for, stabilisering, registrering af gasforbrug og tilsætning af odorant.

En anden udbredt transportform for metan er søtransport med specielle skibe – gastankskibe.

De enorme kugleformede tanke gør det umuligt at forveksle et gastankskib med andre skibstyper. De fungerer som termokander, der opretholder den nødvendige konstante temperatur for flydende metan på -163 °C.

Omdannelsen af gas til flydende tilstand foregår på specielle LNG-anlæg. Processen sker i to faser: først afkøles metan til -50 °C, derefter til -163 °C. Derved reduceres volumenet 600 gange.

Forarbejdning og anvendelsesområder

Naturgassens høje brændbarhed bestemmer dens primære anvendelse. Den bruges som brændstof på fabrikker, værker, kraftvarmeværker, kedelcentraler, institutioner, i boliger, landbrugsbygninger og mange andre steder. Vi anbefaler at læse reglerne for brug af gas i hjemmet.

Udvinning og forarbejdning af olie er altid ledsaget af udledning af ledsagegas. I nogle tilfælde kan mængderne være betydelige og udgøre op til 300 kubikmeter per kubik råolie.

Men der findes et stort antal felter, hvor naturlig ledsagegas ikke bruges, men brændes af i fakler. For eksempel går op til 25% af nyttigt råmateriale tabt på denne måde i hele Rusland.

En del af ledsagegassen sendes til gasforarbejdningsanlæg. Af den fremstilles renset tørgas, som bruges til opvarmning. En anden værdifuld bestanddel er en blanding af lette kulbrinter.

Diagrammet viser et overblik over processen for forarbejdning af udvundet gas. Det er svært at overvurdere betydningen af slutprodukterne for den moderne kemiske industri.

Derefter opdeles den i fraktioner i særlige anlæg. Resultatet er kulbrinter som propan, butan, isobutan og pentan. For at reducere volumen og gøre transport og opbevaring lettere, gøres de flydende.

Ombygning af biler til gas betaler sig hurtigt og giver en mærkbar besparelse. Udbredelsen af gasstationer bidrager til en stigning i antallet af biler med gasanlæg. Ikke kun bilisterne vinder, men også fodgængere, som ikke behøver at indånde skadelige udstødninger.

Propan og butan bruges til opvarmning af huse med flaskegas eller til biler. Men størstedelen sendes videre til forarbejdning i petrokemisk industri.

Ved højtemperaturopvarmning (pyrolyse) fremstilles det vigtigste råmateriale til alle syntetiske materialer – monomerer: ethylen, propylen, butadien. Under påvirkning af katalysatorer forbindes de til polymerer. Resultatet er værdifulde materialer som gummi, PVC, polyethylen og mange andre.

Konklusioner og nyttig video om emnet

I dokumentarfilmen fortælles der letforståeligt og tydeligt om gas:

Denne undervisningsfilm handler om transport af gas via hovedledninger:

Vi ved langt fra alt om naturgas – dets oprindelse rummer stadig mange gåder. Vi må håbe, at det blå brændstof virkelig er en uudtømmelig gave, der rækker til både os og vores efterkommere.

Har du spørgsmål efter at have læst ovenstående materiale? Eller ønsker du at supplere artiklen med nyttige bemærkninger, interessante fakta eller fotografier? Skriv dine kommentarer, stil spørgsmål, deltag i diskussionen – kontaktformularen findes nedenfor.