Minden a földgázról: összetétel és tulajdonságok, kitermelés és felhasználás

A magas energiahatékonyságnak és környezetbarát jellegének köszönhetően a földgáz, a kőolaj mellett, kiemelkedő jelentőséggel bír. Széles körben használják tüzelőanyagként, valamint értékes nyersanyagként szolgál a vegyipar számára.

És bár a gáz használata mindennapossá és megszokottá vált, továbbra is összetett összetételű és meglehetősen veszélyes anyag marad – ahhoz, hogy a gázkészülék égőjébe jusson, hosszú és bonyolult utat tesz meg.

A cikkben áttekintjük a földgázzal kapcsolatos alapvető kérdéseket – szó lesz összetételéről és tulajdonságairól, ismertetjük a gáz kitermelésének, szállításának és feldolgozásának szakaszait, alkalmazási területeit. Megvizsgáljuk a szénhidrogénkészletek eredetére vonatkozó modern elképzeléseket, érdekes tényeket és hipotéziseket.

Mi a természetes éghető gáz?

Elterjedt vélemény, hogy a gáz üregekben található a föld alatt, és onnan könnyen kinyerhető, ehhez elég egy kutat fúrni. A valóságban azonban minden sokkal bonyolultabb: a gáz lehet porózus kőzet belsejében, lehet vízben, folyékony szénhidrogénekben, kőolajban oldva.

Hogy megértsük, miért van ez így, elég felidézni, hogy a "gáz" szó a görög "káosz" szóból származik, ami az anyag viselkedésének elvét tükrözi. Gáz halmazállapotban a molekulák kaotikusan mozognak, igyekezve egyenletesen kitölteni a teljes rendelkezésre álló teret. Ennek köszönhetően képesek behatolni és oldódni más anyagokban, beleértve a sűrűbb folyadékokat és ásványokat is. A magas nyomás és hőmérséklet jelentősen fokozza a diffúzió folyamatát. Gyakran éppen ilyen "koktél" formájában található a földgáz a mélyben.

De először beszéljünk arról, miből áll a gáz és mit képvisel – tekintsük át a természetes éghető gáz kémiai összetételét és fizikai tulajdonságait.

A kémiai összetétel jellemzői

A mélyből kitermelt gázt, amelyet "földgáznak" neveznek, különböző gázok keveréke.

Összetétele alapján három komponenscsoportra osztható:

• éghetők – szénhidrogének;
• éghetetlenek (ballasztok) – nitrogén, szén-dioxid, oxigén, hélium, vízgőz;
• káros szennyeződések – kén-hidrogén és merkaptánok.

Az első és fő csoport a metánsorozatba (homológok) tartozó szénhidrogének halmaza, 1-5 szénatomszámmal. A keverék legnagyobb százalékát a metán teszi ki (70-98%), amely egy szénatomot tartalmaz. A többi gáz (etán, propán, bután, pentán) tartalma egytől tized százalékig terjed.

A lelőhelyekből kitermelt gázra a magas metánkoncentráció jellemző. A kőolajból kinyert társult gázban a metán aránya sokkal alacsonyabb: 30-60%, a homológoké pedig magasabb: 10-20%.

A szénhidrogéneken kívül a keverékben kis mennyiségben jelen lehetnek éghetetlen anyagok: kénhidrogén, nitrogén, szén-dioxid, szén-monoxid, hidrogén és egyebek. De a lelőhelytől függően a szénhidrogének aránya, valamint a többi gáz összetétele jelentősen ingadozhat.

A gáz fizikai tulajdonságai

Fizikai tulajdonságait tekintve a metán (CH₄) színtelen és szagtalan, nagyon gyúlékony. A levegőben 4,5% feletti koncentrációban robbanásveszélyes. Ez a tulajdonsága a szagtalansággal együtt nagy veszélyt és problémát jelent. Különösen a bányákban, mivel a metánt a szén elnyeli.

A háztartásokban bekövetkező gázrobbanások okairól ebben a cikkben írtunk.

A gáz szagosításához a szivárgások észlelhetősége érdekében szállítás előtt speciális, kellemetlen szagú anyagokat – szagosítószereket – adnak hozzá. Leggyakrabban ezek kéntartalmú vegyületek – etántiol vagy etil-merkaptán. A szennyezőanyag arányát úgy választják meg, hogy a szivárgás 1%-os gázkoncentráció esetén is érezhető legyen.

A földgáz fő előnye a magas fűtőérték – 39 MJ/kg. Eközben ártalmatlan anyagok keletkeznek: víz és szén-dioxid. Ez szintén fontos tényező, amely lehetővé teszi a metán háztartási felhasználását.

Honnan származik a gáz a föld mélyében?

Bár az emberek több mint 200 évvel ezelőtt megtanulták használni a gázt, a mai napig nincs egyetértés abban, hogy honnan származik a gáz a föld mélyén.

Az eredet alapvető elméletei

Két alapvető elmélet létezik a keletkezésére:

• ásványi elmélet, amely a gáz képződését a szénhidrogének mélyebb és sűrűbb földrétegekből történő degázosodási folyamataival és azok alacsonyabb nyomású zónákba emelkedésével magyarázza;
• szerves (biogén) elmélet, amely szerint a gáz az élő szervezetek maradványainak bomlásterméke magas nyomás, hőmérséklet és levegő hiánya esetén.

A lelőhelyen a gáz lehet különálló felhalmozódás, gázkupak, olajban vagy vízben oldott állapot, illetve gázhidrát formájában. Az utóbbi esetben a telepek porózus kőzetekben helyezkednek el, gázzáró agyagrétegek között. Leggyakrabban ilyen kőzetek a tömör homokkő, karbonátok, mészkövek.

A közönséges gázmezők aránya mindössze 0,8%. Kissé nagyobb százalékot tesz ki a mély-, szén- és palagáz – 1,4–1,9%. A leggyakoribb előfordulási típusok a vízben oldott gázok és a hidrátok, nagyjából egyenlő arányban (46,9%–46,9%).

Mivel a gáz könnyebb a kőolajnál, a víz pedig nehezebb, a fosszíliák helyzete a rétegben mindig azonos: a gáz a kőolaj fölött helyezkedik el, a víz pedig alulról támasztja alá az egész kőolaj–gázmezőt.

A gáz nyomás alatt van a rétegben. Minél mélyebben fekszik a lelőhely, annál nagyobb a nyomás. Átlagosan minden 10 méterre 0,1 MPa nyomásnövekedés jut. Léteznek abnormálisan magas nyomású rétegek is. Például az urengoji mező acsimovai lerakódásaiban 600 atmoszféra és afeletti nyomás mérhető 3800–4500 m mélységben.

Érdekes tények és hipotézisek

Még nem is olyan régen azt gondolták, hogy a világ kőolaj- és gázkészletei már a XXI. század elején kimerülnek. Erről írt például 1965-ben a tekintélyes amerikai geofizikus, Hubbert is.

A mai napig sok ország tovább növeli a gáztermelés ütemét. Semmilyen valós jele nem tapasztalható annak, hogy a szénhidrogén-készletek fogynának.

V. V. Polevanov geológiai–mineralógiai doktor véleménye szerint ezeket a tévedéseket az okozza, hogy a kőolaj és a gáz szerves keletkezésének elmélete még mindig általánosan elfogadott, és a tudósok többségének gondolkodását uralja. Pedig D. I. Mengyelejev már alátámasztotta a kőolaj szervetlen, mélyből származó keletkezésének elméletét, amit később Kudrjavcev és V. R. Larin is bizonyított.

A szénhidrogének szerves keletkezése ellen azonban számos tény szól.

Íme néhány közülük:

• lelőhelyeket tártak fel 11 km mélységig, kristályos alapkőzetekben, ahol a szerves anyagok jelenléte még elméletileg sem lehetséges;
• a szerves elmélettel a szénhidrogén-készletek csupán 10%-a magyarázható, a fennmaradó 90% megmagyarázhatatlan;
• a Cassini űrszonda 2000-ben a Szaturnusz Titán holdján hatalmas szénhidrogén-készleteket fedezett fel tavak formájában, amelyek nagyságrendekkel meghaladják a földi készleteket.

Larin által felállított, a Föld eredendően hidrides voltának hipotézise a szénhidrogének keletkezését a hidrogén és a szén reakciójával magyarázza a Föld mélyén, majd a metán utólagos kigázosodásával.

E szerint nincsenek ősi, jura kori lelőhelyek. Az összes kőolaj és gáz 1–15 ezer évvel ezelőtt keletkezhetett. A kitermelés során a készletek fokozatosan pótlódhatnak, amit a régen kimerített és elhagyott kőolajmezőkön észleltek.

Hogyan történik a kitermelés és a szállítás?

A földgázkitermelés folyamata a kutak építésével kezdődik. A gáztartalmú réteg fekvésétől függően mélységük elérheti a 7 km-t. A fúrás során egy csövet (béléscsövet) eresztenek le a kútba. Annak megakadályozására, hogy a gáz a cső és a kút fala közötti résen keresztül távozzon, cementezést végeznek – a rést agyaggal vagy cementtel töltik ki.

Az építkezés befejeztével a fúrótornyot eltávolítják, és a béléscső fejére termelő kútfejet szerelnek. Ez egy tolózárakból és szelepekből álló szerkezet, amely a gáz kivételére szolgál a kútból.

A kutak száma elég nagy lehet.

A termelő kútfej több funkciót is ellát: felfüggesztve tartja a kútban a termelőcsöveket, szabályozza a munkamódokat, méri a kút külső és belső részének paramétereit.

A földgázkitermelés teljes ciklusa három szakaszból áll:

1. Gázmező kiaknázása. A fúrás eredményeként nyomáskülönbség jön létre. Ennek köszönhetően a gáz a rétegen keresztül a kutak felé áramlik.
2. Gázkutak üzemeltetése. Ebben a szakaszban a gáz a béléscsövön halad keresztül.
3. Gyűjtés és szállításra előkészítés. A gáz az összes termelő kútfejből a speciális technológiai komplexumokba, az UKPG-be kerül. Itt történik a gáz szárítása, tisztítása káros szennyeződésektől.

Még a kénhidrogén, vízgőz vagy szilárd részecskék kis koncentrációi is gyors korrózióhoz, hidrátképződéshez és a csővezeték belső felületének mechanikai sérüléséhez vezetnek.

A szállításra való végső előkészítés a fő létesítményeknél történik. Ez magában foglalja a szénhidrogén-kondenzátum utótisztítását és eltávolítását, valamint a gáz hűtését térfogatának csökkentése érdekében.

A gáz nagy távolságokra történő szállításának fő módja a fő gázvezeték. Ez egy összetett mérnöki létesítményrendszer, amely magukból a csővezetékekből a földalatti tárolókig terjed.

A vezeték végpontján gázelosztó állomások (GEA) találhatók. Itt történik a por és folyadék szennyeződésektől való végső tisztítás, a nyomás csökkentése a fogyasztók által igényelt szintre, annak stabilizálása, a gázfogyasztás mérése és szagosító anyag hozzáadása.

A metán szállításának másik elterjedt módja a speciális hajókkal, gázszállító hajókkal történő tengeri szállítás.

Az óriási gömbtartályok nem teszik lehetővé, hogy a gázszállító hajót összetévesszék más hajótípusokkal. Ezek olyan termoszok, amelyek állandó, szükséges hőmérsékletet tartanak fenn a folyékony metán számára: -163 °C.

A gáz cseppfolyósítása speciális LNG-üzemekben történik. A folyamat két szakaszban zajlik: először a metánt -50 °C-ra, majd -163 °C-ra hűtik. Eközben térfogata 600-szorosára csökken.

Feldolgozás és alkalmazási területek

A földgáz magas éghetősége határozza meg fő alkalmazását. Üzemanyagként használják gyárakban, üzemekben, hőerőművekben, kazánházakban, intézményekben, lakóházakban, mezőgazdasági létesítményekben és sok más helyen. Javasoljuk, hogy ismerkedjen meg a gáz háztartási használatának szabályaival.

Az olaj kitermelését és feldolgozását mindig kíséri a kísérőgáz felszabadulása. Egyes esetekben a mennyisége jelentős lehet, és elérheti a 300 köbmétert is egy köbméter nyersolajra vetítve.

De számos olyan lelőhely létezik, ahol a természetes kísérőgázt nem használják fel, hanem fáklyákban égetik el. Oroszország-szerte például így vész el a hasznos nyersanyag akár 25%-a.

A kísérőgáz egy része gázfeldolgozó üzemekbe kerül. Belőle tisztított száraz gázt nyernek, amelyet fűtésre használnak. Egy másik értékes összetevő a könnyű szénhidrogének keveréke.

Az ábra a kitermelt gáz feldolgozási folyamatának általános képét mutatja. A végtermékek szerepét a modern vegyiparban nehéz túlbecsülni.

Ezután speciális berendezésekben frakciókra bontják. Ennek eredményeképpen olyan szénhidrogének keletkeznek, mint a propán, bután, izobután, pentán. A térfogat csökkentése, a szállítás és tárolás megkönnyítése érdekében cseppfolyósítják őket.

Az autók gázüzeművé történő átalakítása gyorsan megtérül és érezhető költségmegtakarítást eredményez. A gáztöltőállomások hálózatának bővítése hozzájárul a gázüzemű autók számának növekedéséhez. Nemcsak a sofőrök járnak jól, hanem a gyalogosok is, akiknek nem kell káros kipufogógázokat belélegezniük.

A propánt és a butánt házak fűtésére használják palackos gázzal vagy autókhoz. De nagy részük további feldolgozásra kerül a petrolkémiai üzemekbe.

Magas hőmérsékletű hevítéssel (pirolízissel) belőlük nyerik az összes szintetikus anyag fő alapanyagát – a monomereket: etilént, propilént, butadiént. Katalizátorok hatására ezek polimerekké kapcsolódnak össze. A kimeneten olyan rendkívül értékes anyagok keletkeznek, mint a gumi, PVC, polietilén és még sok más.

Következtetések és hasznos vidéó a témából

A dokumentumfilm érthetően és szemléletesen mutatja be a gázt:

Ez az oktatófilm a távvezetékes gázszállításról szól:

Még korántsem tudunk mindent a földgázról – származása továbbra is sok rejtélyt tartogat. Marad a remény, hogy a kék üzemanyag valóban kimeríthetetlen ajándék, amelyből nekünk és utódainknak is elegendő jut.

Vannak kérdései a fenti anyag elolvasása után? Vagy szeretné hasznos megjegyzésekkel, érdekes tényekkel vagy fényképekkel kiegészíteni a cikket? Írja meg hozzászólásait, tegye fel kérdéseit, vegyen részt a vitában – a visszajelzési űrlap lent található.