Viss par dabasgāzi: dabasgāzes sastāvs un īpašības, ražošana un izmantošana

Augstās energoefektivitātes un videi draudzīguma dēļ dabasgāze kopā ar naftu ir ārkārtīgi svarīga.To plaši izmanto kā degvielu, kā arī kalpo kā vērtīga izejviela ķīmiskajā rūpniecībā.

Un, lai gan gāzes lietošana ir kļuvusi ikdienišķa un ierasta, tā joprojām ir sarežģīta un diezgan bīstama viela - lai iekļūtu gāzes iekārtas deglī, tā iet garu un sarežģītu ceļu.

Rakstā analizēsim galvenos ar dabas uzliesmojošu gāzi saistītos jautājumus - runāsim par tās sastāvu un īpašībām, aprakstīsim gāzes ražošanas, transportēšanas un pārstrādes posmus un pielietojuma apjomu. Apsvērsim mūsdienu idejas par ogļūdeņražu rezervju izcelsmi, interesantus faktus un hipotēzes.

Kas ir dabiski uzliesmojoša gāze?

Pastāv uzskats, ka gāze atrodas pazemē tukšumos un no turienes viegli iegūstama, kam pietiek ar akas urbšanu. Bet patiesībā viss ir daudz sarežģītāk: gāze var atrasties porainā klintī, to var izšķīdināt ūdenī, šķidros ogļūdeņražos un eļļā.

Lai saprastu, kāpēc tas notiek, pietiek atcerēties, ka vārds “gāze” nāk no grieķu valodas “haoss", kas atspoguļo vielas uzvedības principu. Gāzveida stāvoklī molekulas pārvietojas haotiski, cenšoties vienmērīgi aizpildīt visu iespējamo tilpumu. Pateicoties tam, tie spēj iekļūt un izšķīst citās vielās, tostarp blīvākos šķidrumos un minerālvielās. Augsts spiediens un temperatūra ievērojami uzlabo difūzijas procesu.Bieži vien šāda “kokteiļa” veidā dabasgāze atrodas zemes dzīlē.

Bet vispirms parunāsim par to, no kā sastāv gāze un kas tā ir – aplūkosim dabiskās degošās gāzes ķīmisko sastāvu un fizikālās īpašības.

Ķīmiskā sastāva iezīmes

No zemes dzīlēm iegūtā gāze, ko sauc par “dabisko”, ir dažādu gāzu maisījums.

Pēc sastāva tas ir sadalīts trīs sastāvdaļu grupās:

• viegli uzliesmojošs – ogļūdeņraži;
• neuzliesmojošs (balasti) – slāpeklis, oglekļa dioksīds, skābeklis, hēlijs, ūdens tvaiki;
• kaitīgs piemaisījumi – sērūdeņradis un merkaptāni.

Pirmā un galvenā grupa ir metāna ogļūdeņražu (homologu) kopums ar oglekļa atomu skaitu no 1 līdz 5. Maisījumā vislielākais procentuālais daudzums ir metāns (no 70 līdz 98%), kurā ir viens oglekļa atoms. Citu gāzu (etāna, propāna, butāna, pentāna) saturs svārstās no vienībām līdz procenta desmitdaļām.

No laukiem iegūtajai gāzei raksturīga augsta metāna koncentrācija. No naftas iegūtajā blakusproduktā metāna īpatsvars ir daudz mazāks: 30 – 60%, un homologi ir lielāki: 10 – 20%.

Papildus ogļūdeņražiem maisījums var saturēt nelielos daudzumos neuzliesmojošas vielas: sērūdeņradi, slāpekli, oglekļa dioksīdu, oglekļa monoksīdu, ūdeņradi un citus. Bet, atkarībā no lauka, ogļūdeņražu proporcijas, tāpat kā citu gāzu sastāvs, var ievērojami atšķirties.

Gāzes fizikālās īpašības

Saskaņā ar metāna CH fizikālajām īpašībām₄ bezkrāsains un bez smaržas, ļoti viegli uzliesmojošs. Ja gaisa koncentrācija pārsniedz 4,5% - sprādzienbīstams. Šis īpašums kopā ar smakas trūkumu rada lielus draudus un problēmas. Īpaši raktuvēs, jo ogles absorbē metānu.

Par gāzes sprādzienu cēloņiem sadzīves apstākļos rakstījām gadā šo materiālu.

Lai gāzei piešķirtu smaku, lai konstatētu tās noplūdes, pirms transportēšanas tai tiek pievienotas īpašas vielas ar nepatīkamu smaku - smaržvielas. Visbiežāk tie ir sēru saturoši savienojumi - etāntiols vai etilmerkaptāns. Piemaisījumu proporcija ir izvēlēta tā, lai noplūde būtu pamanāma pie gāzes koncentrācijas 1%.

Galvenā zilās degvielas priekšrocība ir tās augstais īpatnējais sadegšanas siltums – 39 MJ/kg. Tādējādi izdalās nekaitīgas vielas: ūdens un oglekļa dioksīds. Tas ir arī svarīgs faktors, kas ļauj izmantot metānu ikdienas dzīvē

No kurienes zemes dzīlēs nāk gāze?

Lai gan cilvēki iemācījās lietot gāzi pirms vairāk nekā 200 gadiem, joprojām nav vienprātības par to, no kurienes gāze nāk no zemes zarnām.

Galvenās izcelsmes teorijas

Ir divas galvenās tās izcelsmes teorijas:

• minerāls, kas skaidro gāzu veidošanos ar ogļūdeņražu degazācijas procesiem no dziļākiem un blīvākiem zemes slāņiem un to pacelšanos zonās ar zemāku spiedienu;
• organisks (biogēns), saskaņā ar kuru gāze ir dzīvo organismu atlieku sadalīšanās produkts augsta spiediena, temperatūras un gaisa trūkuma apstākļos.

Laukā gāze var būt atsevišķa uzkrājuma, gāzes vāciņa, eļļas vai ūdens šķīduma vai gāzes hidrātu veidā. Pēdējā gadījumā nogulsnes atrodas porainos iežos starp gāzi necaurlaidīgiem māla slāņiem. Visbiežāk šādi ieži ir sablīvēts smilšakmens, karbonāti un kaļķakmeņi.

Konvencionālo gāzes atradņu īpatsvars ir tikai 0,8%. Nedaudz lielāks procents attiecas uz dziļūdens, akmeņogļu un slānekļa gāzi - no 1,4 līdz 1,9%.Visizplatītākie nosēdumu veidi ir ūdenī šķīstošās gāzes un hidrāti - aptuveni vienādās proporcijās (katrs 46,9%)

Tā kā gāze ir vieglāka par naftu un ūdens ir smagāks, minerālu stāvoklis rezervuārā vienmēr ir vienāds: gāze atrodas virs naftas, un ūdens no apakšas atbalsta visu naftas un gāzes lauku.

Gāze veidojumā ir zem spiediena. Jo dziļāk atrodas nogulsnes, jo augstāka tā ir. Vidēji uz katriem 10 metriem spiediena pieaugums ir 0,1 MPa. Ir slāņi ar neparasti augstu spiedienu. Piemēram, Urengojas lauka Achimova atradnēs tas sasniedz 600 atmosfēras un augstāk 3800 līdz 4500 m dziļumā.

Interesanti fakti un hipotēzes

Pirms neilga laika tika uzskatīts, ka 21. gadsimta sākumā pasaules naftas un gāzes rezerves ir jāizsmeļas. Piemēram, autoritatīvs amerikāņu ģeofiziķis Hubberts par to rakstīja 1965. gadā.

Līdz šim daudzas valstis turpina palielināt gāzes ražošanas tempu. Nav reālu pazīmju, ka ogļūdeņražu rezerves beigtos

Saskaņā ar ģeoloģijas un mineraloģijas zinātņu doktora V.V. Polevanova, šādus nepareizus priekšstatus izraisa fakts, ka teorija par naftas un gāzes organisko izcelsmi joprojām ir vispārpieņemta un dominē vairuma zinātnieku prātos. Lai gan joprojām D.I. Mendeļejevs pamatoja teoriju par naftas neorganisko dziļo izcelsmi, un tad to pierādīja Kudrjavcevs un V.R. Larins.

Bet daudzi fakti runā pret ogļūdeņražu organisko izcelsmi.

Šeit ir daži no tiem:

• atradnes atklātas līdz 11 km dziļumā, kristāliskajos pagrabos, kur organisko vielu esamība pat teorētiski nav iespējama;
• ar organiskās teorijas palīdzību var izskaidrot tikai 10% ogļūdeņražu rezervju, atlikušie 90% ir neizskaidrojami;
• Kosmosa zonde Cassini, kas tika atklāta 2000. gadā uz Saturna pavadoņa Titāna, gigantisku ogļūdeņražu resursu ezeru veidā, kas ir par vairākām kārtām lielāki nekā uz Zemes.

Larina izvirzītā hipotēze par sākotnēji hidrīdu Zemi izskaidro ogļūdeņražu izcelsmi, ūdeņraža reakcijā ar oglekli zemes dzīlēs un sekojošo metāna degazēšanu.

Saskaņā ar to seno juras perioda atradņu nav. Visa nafta un gāze varēja veidoties pirms 1 līdz 15 tūkstošiem gadu. Atlases gaitā var pakāpeniski papildināt rezerves, kas ir pamanītas jau sen noplicinātās un pamestās naftas atradnēs.

Kā tiek veikta ieguve un transportēšana?

Dabiskās deggāzes ieguves process sākas ar urbumu izbūvi. Atkarībā no gāzes nesošā veidojuma rašanās to dziļums var sasniegt 7 km. Urbšanas gaitā caurule (apvalks) tiek nolaista akā. Lai gāze neizplūstu caur atstarpi starp cauruli un urbuma sienām, tiek veikta aizbāzšana - spraugas aizpildīšana ar māliem vai cementu.

Būvniecības beigās statnis tiek noņemts un Ziemassvētku eglīte tiek uzstādīta uz korpusa galvas. Tā ir aizbīdņu vārstu konstrukcija un tiek izmantota gāzes ieguvei no akas.

Aku skaits var būt diezgan liels.

Ziemassvētku eglītei ir vairākas funkcijas: tā notur akā iekārtās sūknēšanas un kompresoru caurules, kontrolē darba režīmus, mēra akas ārējo un iekšējo daļu parametrus.

Viss dabiskās deggāzes ražošanas cikls notiek trīs posmos:

1. Gāzes lauka attīstība. Urbšanas rezultātā rodas spiediena starpība. Pateicoties tam, gāze pārvietojas pa veidojumu uz akām.
2. Gāzes aku darbība. Šajā posmā gāze pārvietojas caur korpusu.
3. Savākšana un sagatavošana transportēšanai. Gāze no visām eglītēm tiek piegādāta speciālajiem gāzes attīrīšanas iekārtu tehnoloģiskajiem kompleksiem. Viņi izžāvē gāzi, tīrīšana no kaitīgiem piemaisījumiem.

Pat neliela sērūdeņraža, ūdens tvaiku vai cieto daļiņu koncentrācija izraisa ātru koroziju, hidrātu veidošanos un cauruļvada iekšējās virsmas mehāniskus bojājumus.

Galīgā sagatavošanās transportēšanai notiek galvas darbā. Tas ietver ogļūdeņraža kondensāta pēcapstrādi un noņemšanu, gāzes dzesēšanu, lai samazinātu tā tilpumu.

Galvenais gāzes transportēšanas veids lielos attālumos ir maģistrālais gāzes vads. Tā ir sarežģītu inženierbūvju sistēma no pašiem cauruļvadiem līdz pazemes noliktavas.

Cauruļvada gala punktā atrodas gāzes sadales stacijas (GDS). Šeit notiek galīgā putekļu un šķidro piemaisījumu tīrīšana, spiediens tiek samazināts līdz patērētājiem nepieciešamajam līmenim, tas tiek stabilizēts, tiek ņemts vērā gāzes patēriņš un pievienots odorants.

Vēl viens izplatīts metāna transportēšanas veids ir jūras transportēšana ar īpašiem kuģiem - gāzvedējiem.

Milzīgās sfēriskās tvertnes neļaus sajaukt gāzvedēju ar cita veida kuģiem. Tie ir termosi, kas uztur nemainīgu nepieciešamo temperatūru šķidram metānam -163 °C

Gāzes pārveidošana šķidrā stāvoklī tiek veikta īpašās SDG rūpnīcās. Process notiek divos posmos: vispirms metānu atdzesē līdz -50 °C un pēc tam līdz -163 °C. Tajā pašā laikā tā apjoms samazinās par 600 reizēm.

Apstrāde un piemērošanas joma

Dabasgāzes augstā uzliesmojamība nosaka tās galveno pielietojumu. To izmanto kā degvielu rūpnīcās, rūpnīcās, termoelektrostacijās, katlu mājās, iestādēs, dzīvojamās ēkās, lauksaimniecības objektos un daudzās citās. Mēs iesakām iepazīties ar noteikumiem gāzes izmantošana ikdienas dzīvē.

Naftas ieguvi un pārstrādi vienmēr pavada saistītās gāzes izdalīšanās. Dažos gadījumos tā apjomi var būt iespaidīgi un sasniegt līdz 300 kubikmetriem uz kubikmetru jēlnaftas.

Taču ir liels skaits lauku, kur dabasgāze netiek izmantota, bet tiek sadedzināta. Piemēram, visā Krievijā šādā veidā tiek zaudēti līdz 25% noderīgo izejvielu.

Daļa no saistītās gāzes tiek piegādāta gāzes pārstrādes rūpnīcām. No tā iegūst attīrītu sauso gāzi, ko izmanto apkurei. Vēl viena vērtīga sastāvdaļa ir vieglo ogļūdeņražu maisījums.

Diagramma parāda vispārēju priekšstatu par saražotās gāzes pārstrādes procesu. Galaproduktu lomu mūsdienu ķīmiskajā rūpniecībā nevar pārvērtēt

Pēc tam īpašās iekārtās to sadala frakcijās. Rezultātā tiek iegūti ogļūdeņraži, piemēram, propāns, butāns, izobutāns un pentāns. Lai samazinātu apjomu, atvieglotu to transportēšanu un uzglabāšanu sašķidrināt.

Automašīnu pārbūve uz gāzi ātri atmaksājas un nodrošina ievērojamus izmaksu ietaupījumus. Gāzes uzpildes staciju tīkla paplašināšana veicina autoparka pieaugumu ar LPG. Ieguvēji ir ne tikai autovadītāji, bet arī gājēji, kuriem nav jāelpo kaitīgie izgarojumi

Propānu un butānu izmanto māju apkurei gāze pudelēs vai automašīnām. Bet lielākā daļa no tā nonāk tālākai pārstrādei naftas ķīmijas rūpniecībā.

Karsējot augstā temperatūrā (pirolīzē), tos izmanto, lai iegūtu galveno izejvielu visiem sintētiskajiem materiāliem - monomēriem: etilēnu, propilēnu, butadiēnu. Katalizatoru ietekmē tie tiek apvienoti polimēros. Izlaide ir tādi vērtīgi materiāli kā gumija, PVC, polietilēns un daudzi citi.

Secinājumi un noderīgs video par tēmu

Dokumentālā filma pieejamā un vizuālā veidā stāsta par gāzi:

Šī mācību filma ir veltīta galvenajam gāzes transportam:

Mēs joprojām nezinām visu par dabasgāzi — tās izcelsme joprojām satur daudz noslēpumu. Atliek vien cerēt, ka zilā degviela patiešām ir neizsmeļama dāvana, ar kuru pietiks gan mums, gan mūsu pēcnācējiem.

Vai pēc iepriekš minētā materiāla izlasīšanas jums joprojām ir jautājumi? Vai arī vēlaties papildināt rakstu ar noderīgiem komentāriem, interesantiem faktiem vai fotogrāfijām? Rakstiet savus komentārus, uzdodiet jautājumus, piedalieties diskusijā - atsauksmju veidlapa atrodas zemāk.