Όλα για το φυσικό αέριο: σύσταση και ιδιότητες, εξόρυξη και εφαρμογή του φυσικού αερίου

Χάρη στην υψηλή ενεργειακή απόδοση και την φιλικότητα προς το περιβάλλον, το φυσικό αέριο, μαζί με το πετρέλαιο, έχει πρωταρχική σημασία. Χρησιμοποιείται ευρέως ως καύσιμο και επίσης αποτελεί πολύτιμη πρώτη ύλη για τη χημική βιομηχανία.

Και αν και η χρήση του αερίου έχει γίνει καθημερινή και συνηθισμένη, παραμένει ωστόσο μια σύνθετη στη σύσταση και αρκετά επικίνδυνη ουσία – για να φτάσει στον καυστήρα μιας συσκευής αερίου, διανύει μια μακρά και πολύπλοκη διαδρομή.

Στο άρθρο θα αναλύσουμε τα βασικά ζητήματα που σχετίζονται με το φυσικό εύφλεκτο αέριο – θα μιλήσουμε για τη σύσταση και τις ιδιότητές του, θα περιγράψουμε τα στάδια εξόρυξης, μεταφοράς και επεξεργασίας του αερίου, τους τομείς εφαρμογής του. Θα εξετάσουμε σύγχρονες απόψεις για την προέλευση των αποθεμάτων υδρογονανθράκων, ενδιαφέροντα γεγονότα και υποθέσεις.

Τι είναι το φυσικό εύφλεκτο αέριο;

Υπάρχει η άποψη ότι το αέριο βρίσκεται υπόγεια σε κενά και εξάγεται εύκολα από εκεί, αρκεί να ανοίξει μια γεώτρηση. Αλλά στην πραγματικότητα όλα είναι πολύ πιο περίπλοκα: το αέριο μπορεί να βρίσκεται μέσα σε πορώδη πετρώματα, μπορεί να είναι διαλυμένο στο νερό, σε υγρούς υδρογονάνθρακες, στο πετρέλαιο.

Για να καταλάβουμε γιατί συμβαίνει αυτό, αρκεί να θυμηθούμε ότι η λέξη «αέριο» προέρχεται από το ελληνικό «χάος», το οποίο αντικατοπτρίζει την αρχή συμπεριφοράς της ύλης. Στην αέρια κατάσταση, τα μόρια κινούνται χαοτικά, προσπαθώντας να γεμίσουν ομοιόμορφα όλο τον διαθέσιμο όγκο. Χάρη σε αυτό, μπορούν να διεισδύσουν και να διαλυθούν σε άλλες ουσίες, συμπεριλαμβανομένων πιο πυκνών υγρών και ορυκτών. Η υψηλή πίεση και θερμοκρασία ενισχύουν σημαντικά τη διαδικασία διάχυσης. Συχνά με τη μορφή ενός τέτοιου «κοκτέιλ» το φυσικό αέριο περιέχεται στο υπέδαφος.

Αλλά για αρχή, ας μιλήσουμε για το από τι αποτελείται το αέριο και τι είναι – θα εξετάσουμε τη χημική σύσταση και τις φυσικές ιδιότητες του φυσικού εύφλεκτου αερίου.

Χαρακτηριστικά της χημικής σύστασης

Το αέριο που εξάγεται από το υπέδαφος, το οποίο ονομάζεται «φυσικό», είναι ένα μείγμα διαφόρων αερίων.

Ως προς τη σύσταση, χωρίζεται σε τρεις ομάδες συστατικών:

• εύφλεκτα – υδρογονάνθρακες;
• μη εύφλεκτα (αδρανή) – άζωτο, διοξείδιο του άνθρακα, οξυγόνο, ήλιο, υδρατμοί;
• επιβλαβείς προσμίξεις – υδρόθειο και μερκαπτάνες.

Η πρώτη και κύρια ομάδα αποτελεί ένα σύνολο υδρογονανθράκων της μεθανικής σειράς (ομόλογων) με αριθμό ατόμων άνθρακα από 1 έως 5. Το μεγαλύτερο ποσοστό στο μείγμα αποτελεί το μεθάνιο (από 70 έως 98 %), το οποίο έχει ένα άτομο άνθρακα. Η περιεκτικότητα των υπολοίπων αερίων (αιθανίου, προπανίου, βουτανίου, πεντανίου) κυμαίνεται από μονάδες έως δέκατα τοις εκατό.

Για το αέριο που εξάγεται από κοιτάσματα, χαρακτηριστική είναι η υψηλή συγκέντρωση μεθανίου. Στο συνοδευτικό αέριο, που εξάγεται από το πετρέλαιο, η αναλογία μεθανίου είναι πολύ χαμηλότερη: 30 – 60%, ενώ των ομόλογων υψηλότερη: 10 – 20%.

Εκτός από υδρογονάνθρακες, στο μείγμα μπορεί να υπάρχουν μη καύσιμες ουσίες σε μικρές ποσότητες: υδρόθειο, άζωτο, διοξείδιο του άνθρακα, μονοξείδιο του άνθρακα, υδρογόνο και άλλα. Αλλά, ανάλογα με το κοίτασμα, οι αναλογίες των υδρογονανθράκων, όπως και η σύνθεση άλλων αερίων, μπορεί να κυμαίνονται σημαντικά.

Φυσικές ιδιότητες του αερίου

Από φυσικές ιδιότητες, το μεθάνιο CH₄ δεν έχει χρώμα και οσμή, είναι πολύ εύφλεκτο. Σε συγκεντρώσεις στον αέρα πάνω από 4,5% – εκρηκτικό. Αυτή η ιδιότητά του, σε συνδυασμό με την έλλειψη οσμής, αποτελεί μεγάλη απειλή και πρόβλημα. Ιδιαίτερα σε ορυχεία, καθώς το μεθάνιο απορροφάται από τον άνθρακα.

Για τα αίτια έκρηξης αερίου σε οικιακές συνθήκες γράψαμε σε αυτό το άρθρο.

Για να δοθεί οσμή στο αέριο, με σκοπό τον εντοπισμό διαρροών του, πριν από τη μεταφορά προστίθενται ειδικές ουσίες με δυσάρεστη οσμή – οσμογόνες ουσίες. Τις περισσότερες φορές, πρόκειται για ενώσεις που περιέχουν θείο – αιθανοθιόλη ή αιθυλμερκαπτάνη. Το ποσοστό πρόσμειξης επιλέγεται έτσι ώστε η διαρροή να γίνεται αισθητή σε συγκέντρωση αερίου 1%.

Το κύριο πλεονέκτημα του γαλάζιου καυσίμου είναι η υψηλή ειδική θερμογόνος δύναμη – 39 MJ/kg. Παράλληλα, εκπέμπονται αβλαβείς ουσίες: νερό και διοξείδιο του άνθρακα. Αυτός είναι επίσης ένας σημαντικός παράγοντας που επιτρέπει τη χρήση μεθανίου στην οικιακή χρήση.

Από πού προέρχεται το αέριο στα βάθη της γης;

Αν και οι άνθρωποι έμαθαν να χρησιμοποιούν το αέριο πριν από περισσότερα από 200 χρόνια, μέχρι σήμερα δεν υπάρχει ομοφωνία για το από πού προέρχεται το αέριο στα βάθη της γης.

Βασικές θεωρίες προέλευσης

Υπάρχουν δύο βασικές θεωρίες για την προέλευσή του:

• ορυκτή, που εξηγεί τον σχηματισμό αερίου με διαδικασίες απαέρωσης υδρογονανθράκων από βαθύτερα και πυκνότερα στρώματα της γης και την ανύψωσή τους σε ζώνες με χαμηλότερη πίεση;
• οργανική (βιογενής), σύμφωνα με την οποία το αέριο είναι προϊόν αποσύνθεσης υπολειμμάτων ζωντανών οργανισμών υπό συνθήκες υψηλής πίεσης, θερμοκρασίας και έλλειψης αέρα.

Στο κοίτασμα, το αέριο μπορεί να βρίσκεται με τη μορφή ξεχωριστού σχηματισμού, αερίου καλύμματος, διαλύματος σε πετρέλαιο ή νερό, είτε ως ένυδρες ενώσεις αερίου. Στην τελευταία περίπτωση, τα κοιτάσματα βρίσκονται σε πορώδη πετρώματα ανάμεσα σε αδιαπέραστα στρώματα αργίλου. Τις περισσότερες φορές, τέτοια πετρώματα είναι ο συμπαγής ψαμμίτης, ανθρακικά άλατα, ασβεστόλιθοι.

Το μερίδιο των συμβατικών κοιτασμάτων φυσικού αερίου είναι μόνο 0,8%. Ένα ελαφρώς μεγαλύτερο ποσοστό αντιστοιχεί στο βαθύ, ανθρακικό και σχιστολιθικό αέριο – από 1,4 έως 1,9%. Οι πιο συνηθισμένοι τύποι κοιτασμάτων είναι τα υδατοδιαλυμένα αέρια και οι ένυδρες ενώσεις – περίπου σε ίσες αναλογίες (46,9% έκαστο).

Επειδή το αέριο είναι ελαφρύτερο από το πετρέλαιο και το νερό είναι βαρύτερο, η θέση των ορυκτών στο στρώμα είναι πάντα ίδια: το αέριο βρίσκεται πάνω από το πετρέλαιο και το νερό υποστηρίζει από κάτω ολόκληρο το κοίτασμα πετρελαίου και φυσικού αερίου.

Το αέριο στο στρώμα βρίσκεται υπό πίεση. Όσο βαθύτερα είναι τα κοιτάσματα, τόσο υψηλότερη είναι αυτή. Κατά μέσο όρο, για κάθε 10 μέτρα, η αύξηση της πίεσης είναι 0,1 MPa. Υπάρχουν στρώματα με ανώμαλα υψηλή πίεση. Για παράδειγμα, στις αποθέσεις Ατσίμοφ του κοιτάσματος Ουρενγκόι, φτάνει τις 600 ατμόσφαιρες και άνω σε βάθος από 3800 έως 4500 μέτρα.

Ενδιαφέροντα γεγονότα και υποθέσεις

Όχι και τόσο παλιά, πίστευαν ότι τα παγκόσμια αποθέματα πετρελαίου και φυσικού αερίου θα εξαντλούνταν ήδη στις αρχές του 21ου αιώνα. Για παράδειγμα, το 1965 έγραψε σχετικά ο έγκριτος Αμερικανός γεωφυσικός Χάμπερτ.

Μέχρι σήμερα, πολλές χώρες συνεχίζουν να αυξάνουν τους ρυθμούς παραγωγής φυσικού αερίου. Δεν παρατηρούνται πραγματικά σημάδια ότι τα αποθέματα υδρογονανθράκων εξαντλούνται

Κατά τη γνώμη του διδάκτορα γεωλογικών-ορυκτολογικών επιστημών Β.Β. Πολεβάνοφ, τέτοιες παρανοήσεις προκαλούνται από το γεγονός ότι η θεωρία της οργανικής προέλευσης του πετρελαίου και του φυσικού αερίου εξακολουθεί να είναι γενικά αποδεκτή και να κατέχει το μυαλό των περισσότερων επιστημόνων. Αν και ο Ντ.Ι. Μεντελέγεφ είχε ήδη τεκμηριώσει τη θεωρία της ανόργανης εν τω βάθει προέλευσης του πετρελαίου, και στη συνέχεια αυτό αποδείχθηκε από τον Κουντριάβτσεφ και τον Β.Ρ. Λάριν.

Αλλά πολλά γεγονότα μιλούν εναντίον της οργανικής προέλευσης των υδρογονανθράκων.

Μερικά από αυτά είναι:

• έχουν ανακαλυφθεί κοιτάσματα σε βάθη έως 11 χλμ, σε κρυσταλλικά θεμέλια, όπου η ύπαρξη οργανικών ουσιών δεν μπορεί καν να θεωρηθεί θεωρητικά·
• με τη βοήθεια της οργανικής θεωρίας μπορούν να εξηγηθούν μόνο το 10% των αποθεμάτων υδρογονανθράκων, το υπόλοιπο 90% είναι ανεξήγητο·
• Το διαστημικό ανιχνευτικό «Κασσίνι» ανακάλυψε το 2000 στον δορυφόρο του Κρόνου Τιτάνα γιγάντιους πόρους υδρογονανθράκων με τη μορφή λιμνών, οι οποίοι είναι αρκετές τάξεις μεγέθους μεγαλύτεροι από τους γήινους.

Η υπόθεση που προτάθηκε από τον Λάριν περί αρχικά υδριδικής Γης εξηγεί την προέλευση των υδρογονανθράκων μέσω της αντίδρασης υδρογόνου με άνθρακα στα βάθη της γης και της επακόλουθης απαέρωσης μεθανίου.

Σύμφωνα με αυτήν, δεν υπάρχουν αρχαία κοιτάσματα της Ιουρασικής περιόδου. Όλο το πετρέλαιο και το φυσικό αέριο μπορεί να σχηματίστηκαν εντός 1 έως 15 χιλιάδων ετών πριν. Καθώς γίνεται η εξόρυξη, τα αποθέματα μπορούν σταδιακά να αναπληρωθούν, κάτι που έχει παρατηρηθεί σε από μακρού εξαντλημένα και εγκαταλελειμμένα πετρελαϊκά κοιτάσματα.

Πώς γίνεται η εξόρυξη και η μεταφορά;

Η διαδικασία εξόρυξης φυσικού εύφλεκτου αερίου ξεκινά με την κατασκευή γεωτρήσεων. Ανάλογα με την εμφάνιση του αεριοφόρου στρώματος, το βάθος τους μπορεί να φτάσει τα 7 χλμ. Κατά τη διάτρηση, κατεβάζεται ένας σωλήνας (η σωλήνωση) μέσα στη γεώτρηση. Για την αποφυγή διαφυγής αερίου μέσω του χώρου μεταξύ του σωλήνα και των τοιχωμάτων της γεώτρησης, γίνεται τσιμεντοποίηση – πλήρωση του κενού με άργιλο ή τσιμέντο.

Μετά την ολοκλήρωση της κατασκευής, ο γεωτρύπανος απομακρύνεται και στην κεφαλή της κολώνας του περιβλήματος τοποθετείται βαλβιδική διάταξη κεφαλής φρέατος. Αποτελεί μια κατασκευή από συρταρωτές βαλβίδες και κλαπέτες και χρησιμεύει για την εξαγωγή αερίου από τη γεώτρηση.

Ο αριθμός των γεωτρήσεων μπορεί να είναι αρκετά μεγάλος.

Στη βαλβιδική διάταξη κεφαλής φρέατος ανατίθενται διάφορες λειτουργίες: συγκρατεί σε αναρτημένη κατάσταση στη γεώτρηση τους σωλήνες παραγωγής, ελέγχει τα λειτουργικά καθεστώτα, μετρά τις παραμέτρους του εξωτερικού και εσωτερικού τμήματος της γεώτρησης.

Ολόκληρος ο κύκλος εξόρυξης φυσικού καύσιμου αερίου πραγματοποιείται σε τρία στάδια:

1. Ανάπτυξη του κοιτάσματος φυσικού αερίου. Ως αποτέλεσμα της γεώτρησης δημιουργείται διαφορά πίεσης. Λόγω αυτού, το αέριο κινείται μέσα στο υπόγειο στρώμα προς τις γεωτρήσεις.
2. Λειτουργία γεωτρήσεων αερίου. Σε αυτό το στάδιο το αέριο διανύει διαδρομή μέσα στην κολώνα του περιβλήματος.
3. Συλλογή και προετοιμασία για μεταφορά. Το αέριο από όλες τις βαλβιδικές διατάξεις κεφαλής φρέατος καταλήγει σε ειδικά τεχνολογικά συγκροτήματα επεξεργασίας αερίου. Σε αυτά πραγματοποιείται η αφύγρανση του αερίου, καθαρισμός από επιβλαβείς προσμίξεις.

Ακόμα και μικρές συγκεντρώσεις υδρόθειου, υδρατμών ή στερεών σωματιδίων οδηγούν σε ταχεία διάβρωση, σχηματισμό ένυδρων ενώσεων και μηχανικές βλάβες στην εσωτερική επιφάνεια του αγωγού.

Η τελική προετοιμασία για μεταφορά πραγματοποιείται στις κεντρικές εγκαταστάσεις. Περιλαμβάνει περαιτέρω καθαρισμό και απομάκρυνση του συμπυκνώματος υδρογονανθράκων, ψύξη του αερίου για μείωση του όγκου του.

Ο κύριος τρόπος μεταφοράς αερίου σε μεγάλες αποστάσεις είναι ο κεντρικός αγωγός φυσικού αερίου. Αποτελεί ένα σύστημα πολύπλοκων τεχνικών εγκαταστάσεων, από τους ίδιους τους αγωγούς μέχρι τις υπόγειες αποθήκες.

Στο τελικό σημείο του κεντρικού αγωγού βρίσκονται σταθμοί διανομής φυσικού αερίου (ΣΔΑ). Εδώ γίνεται ο τελικός καθαρισμός από προσμίξεις σκόνης και υγρών, μείωση της πίεσης στο επίπεδο που χρειάζονται οι καταναλωτές, σταθεροποίησή της, μέτρηση της παροχής αερίου και προσθήκη οσμαντικού.

Ένας άλλος διαδεδομένος τρόπος μεταφοράς μεθανίου είναι οι θαλάσσιες μεταφορές με ειδικά πλοία – τα υγραεριοφόρα.

Οι τεράστιες σφαιρικές δεξαμενές δεν αφήνουν κανένα περιθώριο σύγχυσης του υγραεριοφόρου με άλλους τύπους πλοίων. Αποτελούν θερμοδοχεία που διατηρούν σταθερή την απαραίτητη θερμοκρασία για το υγρό μεθάνιο −163 °C.

Η μετατροπή του αερίου σε υγρή κατάσταση πραγματοποιείται σε ειδικά εργοστάσια υγροποιημένου φυσικού αερίου (ΥΦΑ). Η διαδικασία γίνεται σε δύο στάδια: πρώτα το μεθάνιο ψύχεται στους −50 °C, και στη συνέχεια στους −163 °C. Ταυτόχρονα, ο όγκος του μειώνεται κατά 600 φορές.

Επεξεργασία και τομείς εφαρμογής

Η υψηλή ευφλεκτότητα του φυσικού αερίου καθορίζει την κύρια χρήση του. Χρησιμοποιείται ως καύσιμο σε εργοστάσια, βιομηχανίες, θερμοηλεκτρικούς σταθμούς, λεβητοστάσια, δημόσιες υπηρεσίες, κατοικίες, γεωργικές εγκαταστάσεις και πολλά άλλα. Σας συνιστούμε να ενημερωθείτε για τους κανόνες χρήσης αερίου στην καθημερινή ζωή.

Η εξόρυξη και η επεξεργασία πετρελαίου συνοδεύεται πάντα από την απελευθέρωση συνοδευτικού αερίου. Σε ορισμένες περιπτώσεις, οι όγκοι τού μπορεί να είναι εντυπωσιακοί και να φτάνουν τα 300 κύβικά μέτρα ανά κύβικό μέτρο αργού πετρελαίου.

Αλλά υπάρχει ένς μεγάλος αριθμός κοιτασμάτων όπου το φυσικό συνοδευτικό αέριο δεν χρησιμοποιείται, αλλά καίγεται σε πυρσούς. Για παράδειγμα, σε ολόκληρη τη Ρωσία χάνεται με αυτόν τον τρόπο έως και το 25% της χρήσιμης πρώτης ύλης.

Μέρος του συνοδευτικού αερίου καταλήγει σε εργοστάσια επεξεργασίας φυσικού αερίου. Από αυτό παράγεται καθαρό ξηρό αέριο, το οποίο χρησιμοποιείται για θέρμανση. Ένα άλλο πολύτιμο συστατικό είναι το μείγμα ελαφρών υδρογονανθράκων.

Στο σχήμα φαίνεται η γενική εικόνα της διαδικασίας επεξεργασίας του παραγόμενου αερίου. Ο ρόλος των τελικών προϊόντων για τη σύγχρονη χημική βιομηχανία είναι δύσκολο να υπερεκτιμηθεί.

Στη συνέχεια, χωρίζεται σε κλάσματα σε ειδικές εγκαταστάσεις. Ως αποτέλεσμα, λαμβάνονται υδρογονάνθρακες όπως το προπάνιο, το βουτάνιο, το ισοβουτάνιο και το πεντάνιο. Για τη μείωση του όγκου, τη διευκόλυνση της μεταφοράς και αποθήκευσης, τα υγροποιούν.

Η μετατροπή αυτοκινήτων σε αέριο αποσβένεται γρήγορα και αποφέρει σημαντική εξοικονόμηση χρημάτων. Η επέκταση του δικτύου πρατηρίων αερίου συμβάλλει στην αύξηση του στόλου οχημάτων με εγκαταστάσεις υγραερίου. Κερδίζουν όχι μόνο οι οδηγοί, αλλά καί οι πεζοί, που δεν χρειάζεται να αναπνέουν βλαβερές αναθυμιάσεις.

Το προπάνιο καί το βουτάνιο χρησμοποιούνταί γα τη θέρμανση σπιτιών με αέριο φιαλών ή γα αυτοκίνητα. Ωστόσο, το μεγαλύτερο μέρος κατευθύνεταί γα περαιτέρω επεξεργασία σε πετρεχημικές μονάδες.

Μέσω θέρμανσης υψηλής θερμοκρασίας (πυρόλυση), λαμβάνονταί από αυτά η κύρια πρώτη ύλη γα όλα τα συνθετικά υλικά – μονομερή: αιθυλένιο, προπυλένιο, βουταδιένιο. Υπό τη δράση κατ λυτών, αυτά σνδεονται σε πολμερ. Στο τέλος προκύπτον τόσν πολύτιμα υλικά όσως καούτσουκ, PVC, προλυθυλένιο και πολλά άλλα.

Συμπεράσματα και χρήσιμο βίντεο για το θέμα

Σε ένα ντοκυμανταίρ φιλμ, μιλάται προσιτά και παραστατικά γύα το αέριο:

Αυτό το εκπαιδευτικό φίλμ ίναί αφιερωμένο στη μαγιστριακή μεταφορά φυσικού αερίου.

Δεν γνωρίζουμε ακόμα όλα γύα το φυσικό αέριο – η προέλευσή του εζακολουθεί να κρύβει πολλά μστήρια. Μένει να ελπίζουμε ότι το γαλάζιο καύσιμο είναι πραγματικά ένα ανεζάντλητο δώρο, που θα φτάσει και γύα εμάς και γύα τους απογόνους μας.

Σας έμειναν ερωτήσεις μετά την ανάγνωση του παραπάνω υλικού; Ή θέλετε να συμπληρώσετε το άρθρο με χρήσιμες παρατηρήσεις, ενδιαφέροντα γεγονότα ή φωτογραφίες; Γράψτε τα σχόλιά σας, κάντε ερωτήσεις, συμμετάσχετε στη συζήτηση – η φόρμα επικοινωνίας βρίσκεται παρακάτω.