Природный газ считается одним из самых чистых видов органического топлива. Однако для его полного использования необходимо выделить его составляющие, чтобы применять их отдельно.
Все о природном газе: состав и свойства, добыча и применение природного газа
Природный газ обладает высокой энергоэффективностью и экологичностью, что делает его одним из самых важных ресурсов в современном мире наряду с нефтью. Его широкое применение в качестве топлива, а также использование в химической промышленности, подчеркивает его ценность.
Несмотря на то что использование газа стало частью повседневной жизни, он остается довольно сложным по своему составу и потенциально опасным веществом. Чтобы попасть в газовую горелку, он проходит непростой и многоэтапный процесс трансформации и подготовки.
В данной статье мы подробно рассмотрим ключевые аспекты, связанные с природным горючим газом: его химический состав и физические свойства, процессы добычи, транспортировки и переработки, а также сферы применения. Мы также обсудим современные теории происхождения запасов углеводородов, интересные факты и гипотезы, которые существуют вокруг этой темы.
Что такое природный горючий газ?
Существует распространенное заблуждение о том, что газ залегает в пустотах под землей и его легко извлечь, достаточно просто пробурить скважину. Однако в действительности ситуация значительно сложнее: газ может находиться не только в пустотах, но и внутри пористой горной породы, а также в растворах воды и жидких углеводородов, таких как нефть.
Чтобы лучше понять эти процессы, стоит отметить, что слово «газ» происходит от греческого слова хаос, что отражает случайный характер поведения молекул в газообразном состоянии. Они движутся хаотично и стремятся равномерно заполнить все доступное пространство, что делает их способными проникать и растворяться даже в более плотных веществах, включая жидкости и минералы. Особенные условия, такие как высокое давление и температура, усиливают этот процесс диффузии, что часто приводит к тому, что природный газ находится в виде сложной смеси веществ.
Теперь давайте поговорим о химическом составе и физических свойствах природного горючего газа.
Особенности химического состава
Природный газ, извлекаемый из недр Земли, представляет собой сложную смесь различных газов.
По своему составу он можно подразделить на три основные группы:
- горючие компоненты – углеводороды;
- негорючие вещества (балластные компоненты) – такие как азот, углекислый газ, кислород, гелий и водяные пары;
- вредные примеси – например, сероводород и меркаптаны.
При извлечении из месторождений природный газ обычно имеет высокую концентрацию метана. В то время как попутный газ, который получается вместе с нефтью, характеризуется значительно меньшей долей метана, он обычно составляет от 30% до 60%, тогда как доля гомологов может варьироваться от 10% до 20%.
К тому же, помимо углеводородов в смеси могут содержаться небольшие количества негорючих веществ, таких как сероводород, азот, углекислый газ, угарный газ, водород и другие соединения. Тем не менее, в зависимости от конкретного месторождения, пропорции углеводородов и состав других газов могут значительно варьироваться.
Физические свойства газа
Метан (СН4) по своим физическим параметрам бесцветен и не имеет запаха, но при этом характеризуется высокой воспламеняемостью. При его содержании в воздухе более 4,5% он становится взрывоопасным. Данная особенность в сочетании с его отсутствием запаха представляет собой серьезную угрозу, особенно в таких местах, как шахты, где метан может абсорбироваться углем.
На самом деле, в случае какого-либо происшествия, часто бывает сложно определить утечку газа только по визуальным или обонятельным признакам.
Чтобы обеспечить обнаружение утечек, газу перед транспортировкой добавляют специальные химические вещества с сильным и неприятным запахом, называемые одорантами. Чаще всего используются серосодержащие соединения, такие как этантиол или этилмеркаптан. Концентрация этих примесей рассчитывается таким образом, чтобы утечка газа стала заметна при содержании 1% в воздухе.
Несомненно, одним из основных достоинств голубого топлива является его высокая теплотворная способность — 39 МДж/кг, что при сгорании вызывает выделение только безвредных веществ: воды и углекислого газа. Это делает метан особенно ценным для бытового использования.
Природный газ
Определяя природный газ, можно сказать, что это полезное ископаемое, компоненты которого широко применяются в качестве топлива. Он характеризуется невидимым состоянием и отсутствием запаха. По данным, Россия обладает крупнейшими запасами природного газа в мире.
Существует две основные версии, объясняющие происхождение природного газа – минеральная и биогенная.
Минеральная теория
Согласно минеральной теории, природный газ образуется в результате процесса дегазации Земли, в ходе которого углеводороды под воздействием внутренней динамики Земли поднимаются из глубин в районы с более низким давлением, формируя залежи нефти и газа.
Углеродные остатки живых организмов, погибая и оседая на дне водоемов, подвергаются разложению в анаэробных условиях. Погружаясь все глубже под воздействием температуры и давления, эти органические остатки трансформируются в углеводороды, включая природный газ.
Состав и физические свойства природного газа
Состав природного газа на 98% состоит из метана, а также из его гомологов, таких как этан, пропан и бутан. В некоторых случаях в природном газе могут находиться углекислый газ, водород и гелий.
Характерные для природного газа свойства: он бесцветен, не имеет запаха, (если в его составе отсутствует сероводород), легче воздуха и обладает горючестью и взрывоопасностью.
Подробные свойства компонентов природного газа и его применение
Метан (СН4) – это бесцветный газ, не имеющий запаха, легче воздуха, известен своей высокой горючестью. Он применяется в качестве топлива для газовых плит и обогревателей.
Этан (C2Н6) – также бесцветный газ, не имеющий запаха, немного тяжелее воздуха, в горении не используется как топливо. Однако он находит применение в процессе получения этилена.
Пропан (C3Н8) – бесцветный газ, обладающий ядовитыми свойствами. При небольшом давлении он может быть сжижен, что облегчает его отделение от примесей и транспортировку.
Бутан (C4Н10) – по своим свойствам близок к пропану, при этом имеет высокую плотность и вдвое тяжелее воздуха.
Пропан и бутан активно используются в качестве топлива в определенных автомобилях, в то время как сжиженный пропан также применяется для заправки зажигалок.
Углекислый газ (CO2) – бесцветный газ без запаха с кислым привкусом. В отличие от других компонентов природного газа (за исключением гелия), углекислый газ не горюч. Он считается одним из малотоксичных газов, и хотя в больших концентрациях может препятствовать усвоению кислорода, что приводит к удушью или даже смерти при нежелательных условиях.
Гелий (Ne) – это бесцветный, очень легкий инертный газ без запаха. Он не токсичен и не горюч. Тем не менее, при повышенном давлении гелий может вызывать эффект наркоза, подобно другим инертным газам. Важно помнить, что гелий никогда не существует в твердом состоянии.
Сероводород (H2S) – это бесцветный и тяжелый газ с характерным запахом протухших яиц, который является высокотоксичным, даже в небольших концентрациях, он вызывает паралич обонятельного нерва. Несмотря на свою опасность, некоторые антисептические свойства сероводорода привернули внимание к его использованию в сероводородных терапиях.
Известно, что токсичность сероводорода существенно возрастает при длительном воздействии — это может привести к головокружению и потере способности ощущать его присутствие. При концентрации 0,2-0,3 мг/м3 возникает отравление, а при превышении 1 мг/м3 возможно летальное исход.
Происхождение природного газа:
Существуют две основные теории происхождения природного газа: биогенная (или органическая) теория и абиогенная (неорганическая, минеральная) теория.
Биогенная теория была предложена М.В. Ломоносовым в 1759 году. Согласно этой теории, в далеком геологическом прошлом Земли, органические остатки погибших живых организмов (как растений, так и животных), опускаясь на дно водоемов, образовывали илистые отложения. В результате различных химических процессов эти остатки разлагаются в бескислородных условиях. По мере движения земной коры эти осадки углубляются, где высокие температура и давление способствуют их превращению в углеводороды, в том числе в природный газ. Низкомолекулярные углеводороды (к которым относится и природный газ) образовываются при высоких температурах и давлениях, в то время как высокомолекулярные углеводороды, такие как нефть, формируются при меньших значения.
Абиогенная, или минеральная, теория была предложена Д.И. Менделеевым в 1877 году. Его гипотеза основывается на предположении, что углеводороды могут формироваться в недрах Земли в условиях высоких температур и давлений через взаимодействие перегретого пара и расплавленных карбидов тяжелых металлов, преимущественно железа. Этот процесс включает образование окислов различных металлов и других углеводородов в газообразном состоянии. При этом вода может проникаеть глубоко в недра Земли через трещины в коре, а образующиеся углеводороды поднимаются из глубины по тем же трещинам, формируя залежи нефти и газа. С точки зрения Менделеева, это явление происходит непрерывно, что означает, что человечество не рискует столкнуться с исчерпанием запасов углеводородов.
Химический состав природного газа:
Химический состав добываемого природного газа может значительно варьироваться в зависимости от месторождения, однако основным и наиболее ценным компонентом является метан (СН4), доля которого может колебаться от 70% до 98% в общей массе.
Состав природного газа может включать как углеводородные компоненты (метан СН4 и его гомологи: этан С2Н6, пропан С3Н8, бутан С4Н10, пентан С5Н12, гексан С6Н14, гептан С7Н16, октан С8Н18, нонан С9Н20, декан С10Н22 и т.д. до максимума — С22Н46), так и неуглеводородные компоненты (такие как аргон, водород, гелий, азот, сероводород, водяные пары – H2O, угарный газ CO, углекислый газ CO2 и другие серосодержащие соединения и инертные газы). Природный газ также может содержать следовые количества других компонентов.
Углеводороды, начиная с этана, считаются тяжелыми и образуются только в процессе образования нефти. Эти компоненты также называются специфическими нефтяными газами и служат индикаторами наличия нефтяных залежей в отобранных пробах.
Состав
Состав природного газа может варьироваться в зависимости от геологических условий месторождения, однако с основными компонентами являются метан, этан, пропан, изобутан, н-бутан и пентан.
Метан (CH4)
Метан, как главный компонент природного газа, составляет от 50% до 98% его объема. Обладая высокой теплотворной способностью, он является экологически чистым видом топлива, так как его сгорание приводит к минимальному образованию вредных веществ.
Этан (C2H6)
Этан также в значительных количествах присутствует в природном газе, его доля составляет около 3-7% от общего объема. Этан обладает высокой энергоемкостью и может использоваться как топливо или сырье для химической промышленности.
Пропан (C3H8)
Пропан является третьим по распространенности компонентом природного газа с долей около 1-3% от объема. Характеризуется высокой энергоэффективностью и может использоваться для работы бытовых приборов, таких как газовые плиты и водонагреватели.
Изобутан (i-C4H10)
Изобутан также присутствует в природном газе, его доля составляет менее 1% от общего объема. Он используется как компонент автомобильного топлива и сырье для химической промышленности.
Н-бутан (n-C4H10)
Н-бутан содержится в природном газе и составляет менее 0,5% от общего объема. Он используется как компонент автомобильного бензина и в качестве хладагента.
Пентан (C5H12)
Пентан является редким компонентом природного газа, обычно составляемым менее 0,1% от общего объема. Его применяют в качестве растворителя и в компонентах моторного топлива.
Состав природного газа может варьироваться в зависимости от месторождения, но основными его компонентами остаются метан, этан, пропан, изобутан, н-бутан и пентан. Каждый из этих компонентов имеет свои уникальные свойства и может быть использован в различных отраслях, таких как энергетика, химическая промышленность и автомобильное производство.
Применение
- Производство электроэнергии: Природный газ используется на электростанциях как топливо для генерации электроэнергии.
- Отопление и горячее водоснабжение: Природный газ широко применяется для обогрева домов и обеспечения горячей воды.
- Промышленность: Природный газ используется во многих отраслях промышленности, включая производство цемента, стекла и керамики.
- Транспорт: Природный газ служит альтернативным топливом для транспортных средств, включая легковые и грузовые автомобили, автобусы и поезда.
- Химическая промышленность: Природный газ служит сырьем для производства различных химических продуктов, таких как аммиак, метанол и синтетические смолы.
- Сжижение природного газа (СПГ): СПГ используется как источник энергии в удаленных регионах, где недостаточно газопроводной сети.
- Газопроводный транспорт: Природный газ транспортируется на большие расстояния по газопроводам для обеспечения поставок конечным потребителям.
- Генерация водорода: Природный газ можно использовать для получения чистого водорода, который может быть применен в качестве топлива для транспортных средств или в различных промышленных процессах.
- Газификация угля: Природный газ используется также для газификации угля, что позволяет получать более чистое и эффективное топливо.
Одним из крупнейших месторождений природного газа в мире является Уренгойское, расположенное в Ямало-Ненецком автономном округе, открытое в 1966 году с запасами, оцененными в 10,3 триллиона кубических метров.
Ямбургское месторождение в Ямало-Ненецком округе занимает второе место по запасам природного газа и было открыто в 1969 году с содержанием примерно 8,2 триллиона кубометров газа.
Бованенковское месторождение, которое было обнаружено в 1971 году, располагает 4,9 триллиона кубов газа.
Это месторождение стратегически важно благодаря его близости к Северному Ледовитому океану, что дает возможность экспортировать газ в страны Северной Европы.
Штокмановское газоконденсатное месторождение, расположенное на шельфе Баренцева моря, также считается одним из крупнейших в мире, с запасами, превышающими 3,95 триллиона кубометров газа и 31,1 миллиона тонн газового конденсата. Тем не менее, его разработка сталкивается с трудностями из-за удаленности и сложных климатических условий.
Заполярное газовое месторождение было открыто в 2004 году в Ямало-Ненецком АО и содержит запасы в размере 2,6 триллиона кубометров. Оно славится высококачественным газом с низким содержанием примесей, что делает его привлекательным для добычи и экспорта.
Недавно открытое Харасавэйское газоконденсатное месторождение на полуострове Ямал, обнаруженное в 2010 году, содержит около 2 триллионов кубометров газа, и его разработка ожидается в ближайшие годы.
Крупнейшее
Уренгойское месторождение — это крупнейшее месторождение природного газа в России и одно из крупнейших в мире, находящееся в Ямало-Ненецком автономном округе. Оно охватывает площадь около 6 тысяч квадратных километров и содержит более 10 триллионов кубометров газа. Месторождение было открыто в 1975 году, а его активная разработка началась в 1980-х годах.
Уренгойское месторождение играет ключевую роль в системе газоснабжения России, обеспечивая транспортировку газа по магистральным газопроводам к конечным потребителям в России и за ее пределами. Кроме того, оно существенно влияет на экспорт российского газа в Европу и другие регионы мира.
Транспортировка
Подготовка газа к транспортировке
Несмотря на то что на некоторых месторождениях природный газ обладает исключительным качеством, в общем случае он не является готовым продуктом к доставке. В газе содержатся различные примеси, которые могут затруднять транспортировку и быть нежелательными для использования.
Например, водяные пары могут конденсироваться и накапливаться в разных участках трубопроводов, чаще всего в изогнутых частях, что препятствует нормальному потоку газа. Сероводород же является сильным коррозийным веществом и может отрицательно сказываться на трубопроводах, сопутствующем оборудовании и хранилищах.
Поэтому перед отправкой газа в магистральные газопроводы или на нефтехимические заводы необходимо его подготовить на газоперерабатывающих заводах (ГПЗ).
Первый этап подготовки включает в себя очистку от нежелательных примесей и осушку. На следующем этапе происходит сжатие газа до необходимого давления для переработки; традиционно это давление составляет от 200 до 250 бар, что может сократить объем газа до 200–250 раз.
Затем следует процесс отбензинирования, в ходе которого газ разделяется на нестабильный газовый бензин и отбензиненный газ. Именно отбензиненный газ направляется в магистральные трубопроводы и нефтехимические производства.
Нестабильный газовый бензин дальше подается на специальные газофракционирующие установки, где происходит извлечение легких углеводородов: этана, пропана, бутана, пентана. Эти углеводороды также ценятся как сырье, особенно для производства полимеров. Например, смесь бутана и пропана может быть использована в бытовых нуждах в виде топлива.
Газопровод
Основным способом транспортировки природного газа является его прокачка по трубопроводам.
Стандартный диаметр магистрального газопровода составляет около 1,42 м. Газ в трубопроводе движется под давлением 75 атм. По мере продвижения газа в трубе, он теряет часть своей энергии из-за трения, что выражается в потере тепла. Поэтому через определенные промежутки на газопроводах устанавливаются компрессорные станции, которые дожимают газ до необходимого давления и охлаждают его.
Для непосредственной доставки газа до потребителей от магистрального газопровода отходят трубы меньшего диаметра, образуя газораспределительные сети.
Транспортировка СПГ
Вопрос о транспортировке газа в труднодоступные районы, которые располагаются далеко от магистральных газопроводов, решается путем сжижения газа (сжиженный природный газ, СПГ). Он транспортируется в специальный криогенный контейнерах как по морю, так и по суше.
По морю сжиженный газ перевозится на специальных судах — газовозах (СПГ-танкерах), которые оборудованы изотермическими емкостями.
Кроме морского транспорта, СПГ также доставляется сухопутным транспортом, будь то по железной дороге или автотранспортом. Для сжиженного газа применяют специальные цистерны с двойными стенками, которые способны поддерживать низкую температуру в течение необходимого времени.
Применение природного газа
Основное применение природного газа заключается в обеспечении отопления, в производстве электроэнергии и в бытовых нуждах населения. В России примерно 50% поставок идут на нужды энергетических компаний и коммунального хозяйства. Кроме того, природный газ используется в качестве топлива для различных транспортных средств и служит сырьем для синтеза пластмасс и других органических веществ.
Природный газ является одним из самых чистых видов углеводородного топлива. В идеальных условиях при его сгорании образуются только углекислый газ и вода, а в случае сгорания нефтепродуктов наблюдаются образование копоти и золы.
Разумеется, сами по себе выбросы углекислого газа в атмосферу могут быть опасными. Многие ученые полагают, что они могут способствовать возникновению парникового эффекта и, как следствие, к значительному потеплению климата. Тем не менее, стоит подчеркнуть, что выбросы CO2 при сжигании природного газа значительно ниже по сравнению с другими углеводородными видами топлива, как, например, нефтяными продуктами.
