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

Proces výroby modrého paliva

Těžbě plynu předchází proces průzkumu. To umožňuje určit přesný objem a povahu ložiska. V současné době se používá několik metod průzkumu.

Gravitační - na základě výpočtu hmotnosti hornin. Plynonosné vrstvy se vyznačují mnohem nižší hustotou.

Magnetická - zohledňuje magnetickou propustnost horniny. Pomocí aeromagnetického průzkumu lze získat úplný obraz o ložiscích až do hloubky 7 kilometrů.

Cíl techniky

Seismický - využívá ozvěny, které se odrážejí od podpovrchových vrstev. Tyto ozvěny mohou zachytit speciální přístroje.

Geochemické - zkoumá se složení podzemní vody, aby se určil obsah látek doprovázejících ložiska plynu.

Vrtání je nejúčinnější, ale také nejdražší z výše uvedených metod. Proto je před jeho použitím nutné horniny předem prostudovat.

Metody vrtání studní pro pro těžbu zemního plynu

Po identifikaci ložiska a odhadu předběžného objemu plynu se zahájí proces těžby. Vrty se vrtají do hloubky ložiska. Studna je konstruována žebříkovitě nebo teleskopicky (jako dalekohled), aby se tlak stoupajícího modrého paliva rovnoměrně rozložil.

Vrt je zpevněn pažnicemi a zacementován. Za účelem rovnoměrného snížení tlaku a urychlení procesu těžby plynu se na jednom poli vrtá několik vrtů najednou. Plyn proudí do vrtu přirozenou cestou - plyn se pohybuje směrem k nižší tlakové zóně.

Protože plyn po extrakci obsahuje různé nečistoty, je dalším krokem čištění plynu. K zajištění tohoto procesu se v blízkosti polí budují vhodná zařízení na čištění a zpracování průmyslových plynů.

Systém úpravy zemního plynu

Těžba v uhelných dolech

Uhelné sloje obsahují velké množství metanu, jehož těžbou se nejen získává modré palivo, ale také zajišťuje bezpečný provoz uhelných zařízení. Tato metoda se používá v USA.

Hlavní oblasti využití a zpracování metanu

Metoda štěpení

Při tomto procesu se do vrtu vhání voda nebo vzduch. Tím dojde k vytěsnění plynu.

Tato technika může způsobit seismickou nestabilitu v puklinových horninách, a proto je v některých zemích zakázána.

Vlastnosti podvodní výroby

Poprvé v Rusku se z pole Kirinskoje těží plyn pomocí podvodního těžebního komplexu.

Zásoby zemního plynu se nacházejí kromě pevniny také pod vodou. Naše země má rozsáhlá podmořská ložiska. Podvodní těžba se provádí pomocí těžkých gravitačních plošin. Jsou umístěny na podstavci, který spočívá na mořském dně. Vrty se vrtají pomocí sloupů umístěných na základně. Na plošinách jsou umístěny nádrže na skladování vytěženého plynu. Poté se přepravuje potrubím na pevninu.

Plošiny zajišťují stálou přítomnost lidí, kteří komplex udržují. Počet osob může být až 100. Tato zařízení jsou vybavena autonomním zdrojem energie, přistávací plochou pro vrtulníky a ubikacemi pro personál.

Pokud se ložiska nacházejí v blízkosti pobřeží, vrty se provádějí šikmo. Začínají na pevnině, základnu mají pod mořským šelfem. Plyn se těží a přepravuje podle standardních postupů.

Původ zemního plynu:

Existují dvě teorie vzniku zemního plynu: biogenní (organická) a abiogenní (anorganická, minerální).

Biogenní teorii vzniku zemního plynu poprvé předložil v roce 1759 M. V. Lomonosov. V dávné geologické minulosti Země klesaly odumřelé živé organismy (rostliny a živočichové) na dno nádrží a vytvářely bahnité sedimenty. V důsledku různých chemických procesů se v prostředí bez přístupu vzduchu rozkládaly. Vlivem pohybů zemské kůry se tyto zbytky propadaly stále hlouběji, kde se při vysokých teplotách a tlacích přeměnily na uhlovodíky: zemní plyn a ropu. Nízkomolekulární uhlovodíky (tj. samotný zemní plyn) se tvořily při vyšších teplotách a tlacích. Vysokomolekulární uhlovodíky - olej - při nižších teplotách. Uhlovodíky pronikly do dutin v zemské kůře a vytvořily ložiska ropy a plynu. Postupem času se tyto organické sedimenty a ložiska uhlovodíků dostaly do hloubky jednoho až několika kilometrů - byly překryty vrstvami sedimentárních hornin nebo geologickými pohyby zemské kůry.

Minerální teorii vzniku zemního plynu a ropy formuloval v roce 1877 D. I. Mendělejev. Vycházel ze skutečnosti, že uhlovodíky mohou vznikat v útrobách Země za vysokých teplot a tlaků v důsledku interakce přehřáté páry a roztavených karbidů těžkých kovů (především železa). Chemickými reakcemi vznikají oxidy železa a dalších kovů a různé uhlovodíky v plynném stavu. Voda zároveň proniká puklinami a zlomy v zemské kůře hluboko do nitra Země. Vzniklé uhlovodíky v plynném stavu pak stoupají stejnými zlomy a poruchami do nejnižší tlakové zóny a nakonec vytvářejí plynové a ropné zásobníky. Tento proces je podle D. I. Mendělejeva a zastánců této hypotézy konstantní. Pokles zásob uhlovodíků v podobě ropy a zemního plynu proto lidstvo neohrožuje.

Metan

Kromě toho se metan vyskytuje také v uhelných dolech, kde kvůli své výbušnosti představuje vážnou hrozbu pro horníky. Metan je také známý jako metan v bažinách.

Podle obsahu metanu a dalších (těžkých) uhlovodíkových plynů metanového pásma se plyny dělí na suché (chudé) a tučné (bohaté).

• Suché plyny jsou převážně metan (až 95-96 %), v němž je obsah ostatních homologů (etan, propan, butan a pentan) zanedbatelný (zlomky procenta). Jsou typické spíše pro zásobníky čistého plynu, kde nejsou zdroje obohacení těžkými složkami, které jsou součástí ropy.
• Mastné plyny jsou plyny s vysokým obsahem "těžkých" plynných sloučenin. Kromě metanu obsahují desítky procent etanu, propanu a sloučenin s vyšší molekulovou hmotností až po hexan. Směsi tuků jsou charakteristické spíše pro přidružené plyny, které doprovázejí ropná ložiska.

Hořlavé plyny jsou běžnými a přirozenými průvodci ropy téměř ve všech jejích známých nalezištích, tj. ropa a plyn jsou neoddělitelné vzhledem k jejich příbuznému chemickému složení (uhlovodíkové složení), společnému původu, podmínkám migrace a akumulace v přírodních pastích různých typů.

Výjimkou je tzv. "mrtvý" olej. Jedná se o oleje v blízkosti denního povrchu, které jsou zcela odplyněny odpařováním (odpařováním) nejen plynů, ale i lehkých frakcí samotného oleje.

Takový olej je v Rusku známý v Ukhtě. Jedná se o těžkou, viskózní, oxidovanou, téměř netekoucí ropu, která se těží nekonvenčními těžebními metodami.

Ložiska čistého plynu, kde se nevyskytuje ropa a plyn je podložen formovanou vodou, jsou ve světě velmi rozšířená. V Rusku byla na západní Sibiři objevena superobří ložiska plynu: Urengojskoje se zásobami 5 bilionů m3, Jamburgskoje s 4,4 bilionu m3, Zapoljarnoje s 2,5 bilionu m3 a Medvěžskoje s 1,5 bilionu m3.

Nejrozšířenější jsou však ložiska ropy, zemního plynu a ropy. Spolu s ropou se plyn vyskytuje buď v plynových uzávěrech, tj. nad ropou, nebo rozpuštěný v ropě. V takovém případě se nazývá rozpuštěný plyn. Ropa s rozpuštěným plynem je v podstatě jako sycený nápoj. Při vysokém tlaku v ložisku je v ropě rozpuštěno značné množství plynu a při poklesu tlaku na atmosférický tlak během těžby dochází k odplynění ropy, tj. k rychlému uvolnění plynu ze směsi plynu a ropy. Takový plyn se nazývá přidružený plyn.

Přirozenými průvodci uhlovodíků jsou oxid uhličitý, sirovodík, dusík a inertní plyny (helium, argon, krypton a xenon), které jsou přítomny jako nečistoty.

Doprava

Příprava plynu pro přepravu

Přestože v některých nalezištích je plyn velmi kvalitní, obecně není zemní plyn hotovým produktem. Kromě obsahu cílových složek (a cílové složky se mohou lišit v závislosti na koncovém uživateli) obsahuje plyn nečistoty, které ztěžují přepravu a jsou v dané aplikaci nežádoucí.

Například vodní pára může kondenzovat a hromadit se v různých částech potrubí, nejčastěji v ohybech, a bránit tak pohybu plynu. Sirovodík je silně korozivní činidlo, které poškozuje potrubí, zařízení a skladovací nádrže.

Plyn se proto před odesláním do hlavního plynovodu nebo petrochemického závodu upravuje v závodě na zpracování plynu (GPP).

První fází úpravy je odstranění nežádoucích nečistot a sušení. Poté se plyn stlačí na tlak potřebný pro zpracování. Zemní plyn se tradičně stlačuje na tlak 200-250 barů, čímž se jeho objem zmenší 200-250krát.

Poté následuje fáze stripování: ve speciálních zařízeních se plyn rozdělí na nestabilní benzín a stripovaný plyn. Právě vytěžený plyn se posílá do hlavních plynovodů a petrochemických závodů.

Nestabilní benzín se přivádí do závodů na frakcionaci plynu, kde se přeměňuje na lehké uhlovodíky: etan, propan, butan, pentan. Tyto látky jsou rovněž cennými surovinami, zejména pro výrobu polymerů. A směs butanu a propanu je hotový výrobek, který se používá zejména jako palivo pro domácnost.

Plynovod

Hlavním způsobem přepravy zemního plynu jsou plynovody.

Standardní průměr plynovodu je 1,42 metru. Plyn v potrubí je čerpán pod tlakem 75 atm. Při pohybu potrubím plyn překonáváním třecích sil postupně ztrácí energii, která se rozptyluje ve formě tepla. Z tohoto důvodu se na plynovodu v pravidelných intervalech budují speciální kompresorové posilovací stanice. Zde se plyn stlačí a ochladí na požadovaný tlak.

Pro dodávky přímo ke spotřebiteli se z hlavního plynovodu odpojují potrubí menších průměrů - rozvodné sítě.

Plynovod

Přeprava LNG

A co těžko přístupné oblasti, které jsou daleko od hlavních plynovodů? Do těchto oblastí přepravujeme plyn ve zkapalněném stavu (LNG) ve speciálních kryogenních nádržích, a to po moři i po souši.

Po moři se zkapalněný plyn přepravuje na LNG lodích (LNG tankerech), které jsou vybaveny izotermickými nádržemi.

LNG se přepravuje také po zemi, a to jak po železnici, tak po silnici. K tomuto účelu se používají speciální dvoustěnné nádrže, které jsou schopny udržet požadovanou teplotu po určitou dobu.

Odkud se bere plyn v zemi?

Přestože se lidé naučili využívat plyn již před více než 200 lety, dosud nepanuje shoda v tom, odkud plyn v útrobách Země pochází.

Hlavní teorie o jeho původu

Existují dvě hlavní teorie o jeho původu:

• Minerál, který vysvětluje vznik plynu procesy odplyňování uhlovodíků z hlubších a hustších vrstev Země a jejich vyzdvižení 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 ložisku se plyn může vyskytovat ve formě jediné akumulace, plynové čepičky, roztoku v ropě nebo vodě nebo hydrátů plynu. V druhém případě se ložiska nacházejí v porézních horninách mezi plynotěsnými jílovými vrstvami. Nejčastějšími typy hornin jsou zhutnělé pískovce, karbonáty a vápence.

Podíl konvenčních ložisek plynu činí pouze 0,8 %. Mírně vyšší procento připadá na hlubinný, uhelný a břidlicový plyn, a to od 1,4 % do 1,9 %. Nejčastějšími typy zásobníků jsou plyny rozpustné ve vodě a hydráty - v přibližně stejném poměru (46,9 %).

Protože plyn je lehčí než ropa a voda je těžší, je poloha zkamenělin v ložisku vždy stejná: plyn je nad ropou a voda podpírá celé ložisko ropy a plynu na dně.

Plyn v zásobníku je pod tlakem. Čím je nádrž hlubší, tím je vyšší. Na každých 10 metrů se průměrně zvýší tlak o 0,1 MPa. Existují vrstvy s abnormálně vysokým tlakem. Například v Achimovském ložisku Urengoje dosahuje v hloubce 3 800 až 4 500 metrů 600 atmosfér a více.

Zajímavá fakta a hypotézy

Ještě nedávno se předpokládalo, že světové zásoby ropy a zemního plynu budou vyčerpány na počátku 21. století. Například autoritativní americký geofyzik Hubbert o tom psal v roce 1965.

Mnoho zemí zatím pokračuje ve zvyšování těžby plynu. Neexistují žádné skutečné známky toho, že by se zásoby uhlovodíků vyčerpávaly.

Podle názoru doktora geologicko-mineralogických věd V. V. Polevanova. Polevanov, jsou tyto mylné představy způsobeny tím, že teorie organického původu ropy a plynu je stále obecně přijímána a zaměstnává mysl většiny vědců. I když D. I. Mendělejev zdůvodnil teorii o anorganickém hlubinném původu ropy a poté ji dokázali Kudrjavcev a V. R. Larin.

Proti organickému původu uhlovodíků však hovoří mnoho skutečností.

Zde jsou některé z nich:

• ložiska byla objevena v hloubkách až 11 km, v krystalických základech, kde existence organických látek není možná ani teoreticky;
• pouze 10 % zásob uhlovodíků lze vysvětlit pomocí organické teorie, zbývajících 90 % je nevysvětlitelných;
• sonda Cassini objevila v roce 2000 na Saturnově satelitu Titanu gigantické zásoby uhlovodíků v podobě jezer o několik řádů větších než na Zemi.

Původní Larinova hydridová hypotéza Země vysvětluje vznik uhlovodíků reakcí vodíku s uhlíkem v hlubinách Země a následným odplyněním metanu.

Podle ní se zde nenacházejí žádná dávná jurská ložiska. Veškerá ropa a zemní plyn mohly vzniknout před 1 000 až 15 000 lety. Zásoby se mohou postupně doplňovat tak, jak jsou odčerpávány, jak to bylo pozorováno u dlouhodobě vyčerpaných a opuštěných ropných polí.

Klasifikace a vlastnosti

Zemní plyn se dělí do 3 hlavních kategorií. Jsou popsány následujícími charakteristikami:

1. Vylučuje přítomnost uhlovodíků s více než 2 uhlíkovými sloučeninami. Říká se jim suchý plyn a získávají se pouze z míst určených k těžbě.
2. Získává se společně s primární surovinou, zkapalněným a suchým plynem a plynným benzínem ve směsi.
3. Je přítomno velké množství těžkých uhlovodíků a suchého plynu. Obsahuje také malé procento nečistot. Získává se z plynových kondenzátních polí.

O zemním plynu se říká, že má smíšené složení, v němž existuje několik poddruhů této látky. To je důvod, proč pro tuto složku neexistuje přesný vzorec. Nejdůležitějším z nich je metan, který tvoří více než 90 %. Je nejodolnější vůči teplotě. Je lehčí než vzduch a málo rozpustný ve vodě. Při hoření na volném prostranství vytváří modrý plamen. Při kombinaci metanu se vzduchem v poměru 1:10 dochází k silnému výbuchu. Pokud člověk vdechuje vysokou koncentraci tohoto prvku, může dojít k poškození jeho zdraví.

Používá se jako surovina a průmyslové palivo. Aktivně se také používá k výrobě nitrometanu, kyseliny mravenčí, freonů a vodíku. Rozkladem uhlovodíkových vazeb vlivem proudu a teploty vzniká acetylen, který se používá v průmyslu. Oxidací amoniaku s metanem vzniká kyselina kyanovodíková.

Zemní plyn se skládá z následujících složek:

1. Etan je plynná látka, která nemá barvu. Při hoření vydává málo světla. Ve vodě je prakticky nerozpustný, ale lze jej rozpustit v alkoholu v poměru 3:2. Jako palivo se nepoužívá. Hlavní využití je při výrobě ethylenu.
2. Propan je dobře využitelné palivo, které se nerozpouští ve vodě. Při spalování vytváří velké množství tepla.
3. Butan - specifický zápach, nízká toxicita. Negativně ovlivňuje lidské zdraví: může ovlivnit nervový systém, způsobit arytmii a asfyxii.
4. K udržení dostatečného tlaku ve vrtech lze použít dusík. K získání tohoto prvku je třeba vzduch zkapalnit a oddělit destilací. Používá se k výrobě čpavku.
5. Oxid uhličitý je sloučenina, kterou lze za atmosférického tlaku převést z pevného stavu do plynného. Nachází se ve vzduchu a v minerálních pramenech a uvolňuje se také při dýchání živočichů. Jedná se o potravinářskou přídatnou látku.
6. Sirovodík je poměrně toxický prvek. Může mít nepříznivý vliv na nervový systém. Je cítit po zkažených vejcích, má nasládlou chuť a je bezbarvý. Je dobře rozpustný v ethanolu. S vodou nereaguje. Je potřebný pro výrobu siřičitanů, kyseliny sírové a síry.
7. Helium je považováno za jedinečné. Může se hromadit v zemské kůře. Vyrábí se zmrazením plynů, jejichž je součástí. V plynném stavu se navenek nijak neprojevuje, zatímco v kapalném stavu může napadat živou tkáň. Není schopen výbuchu a vznícení. Pokud je však ve vzduchu přítomna velká koncentrace, může způsobit udušení. Používá se k plnění vzducholodí a balónků a při práci na kovových površích.
8. Argon je plyn, který nemá žádné vnější vlastnosti. Používá se při řezání a svařování kovových dílů a také ke zvýšení trvanlivosti potravinářských výrobků (díky této látce se vytlačuje voda a vzduch).

Fyzikální vlastnosti zemního plynu jsou následující: teplota samovznícení 650 °C, hustota zemního plynu 0,68-0,85 (v plynném stavu) a 400 kg/m3 (v kapalném stavu). Ve směsi se vzduchem jsou koncentrace 4,4-17 % považovány za výbušné. Oktanové číslo fosilních paliv je 120-130. Vypočítává se na základě poměru hořlavých složek k těžko oxidujícím složkám ve stlačeném stavu. Výhřevnost je přibližně 12 tisíc kalorií na 1 metr krychlový. Tepelná vodivost plynu a ropy je stejná.

Pokud se přidá vzduch, může se přírodní zdroj rychle vznítit. V domácích podmínkách stoupá až ke stropu. Zde začíná zapalování. To je způsobeno lehkostí metanu. Na druhou stranu je vzduch přibližně dvakrát těžší než tento prvek.

Způsoby zpracování zemního plynu

Zemní plyn se před vstupem do hlavního potrubí nemusí čistit, což je výhoda oproti ropě (která se před vstupem do potrubí musí upravovat), a tím se výrazně šetří náklady na přepravu.

Před získáním konečného chemického a výrobního složení se směs plynů recykluje v závodech chemického průmyslu, které se v závislosti na použité technologii dělí na hlavní zpracování plynu a sekundární zpracování plynu.

Fyzické zpracování

Tato metoda je založena na fyzikálních a energetických údajích. Vytěžený fosilní materiál je podroben hlubokému stlačení a za použití vysokých teplot je rozdělen na frakce.

Při přechodu z nízkých teplot na vysoké teploty se surovina intenzivně čistí od nečistot. Použití výkonných kompresorů umožňuje zpracování plynu přímo na místě. Při odčerpávání plynu z ropné vrstvy se používají poměrně levná olejová čerpadla.

Vlastnosti zemního plynu

Použití chemických reakcí

Chemicko-katalytická recyklace zahrnuje procesy zahrnující přeměnu metanu na syntetický plyn a následnou recyklaci. Chemický proces zahrnuje dvě metody:

• přeměna páry, oxidu uhličitého;
• částečná oxidace.

Druhá metoda je energeticky nejúspornější a nejpohodlnější, protože rychlost chemické reakce při částečné oxidaci je poměrně vysoká a není třeba používat další katalyzátory.

Použití vysokých a nízkých teplot jako nástroje pro působení na fosilní materiál se nazývá termochemická metoda zpracování zemního plynu. Chemické sloučeniny, jako je ethylen, propylen atd., se vyrábějí tepelným zpracováním vstupní suroviny. Obtížnost tohoto typu zpracování spočívá v použití zařízení, které je schopno produkovat teplo až 11 000 stupňů Celsia při současném zvýšení tlaku na tři atmosféry.

Moderní technologie zpracování zemního plynu využívají dodatečnou syntézu metanu ke zdvojnásobení množství vyrobeného vodíku. Vodík je přírodní surovinou, z níž se získává čpavek, který je materiálem pro výrobu kyseliny dusičné, amonných složek, anilinu atd.