Vse o zemeljskem plinu: sestava in lastnosti, pridobivanje in uporaba zemeljskega plina

Zaradi visoke energetske učinkovitosti in okolju prijaznosti ima zemeljski plin, skupaj z nafto, izjemen pomen. Široko se uporablja kot gorivo, obenem pa služi kot dragocena surovina za kemično industrijo.

Čeprav je uporaba plina postala vsakdanja in običajna, ostaja po sestavi zapleten in precej nevaren plin – da pride v gorilnik plinske naprave, opravi dolgo in zapleteno pot.

V članku bomo obravnavali osnovna vprašanja, povezana z zemeljskim gorivnim plinom – pogovorili se bomo o njegovi sestavi in lastnostih, opisali faze pridobivanja, transporta in predelave plina ter področja njegove uporabe. Pregledali bomo sodobna spoznanja o nastanku zalog ogljikovodikov, zanimiva dejstva in hipoteze.

Kaj je zemeljski gorivni plin?

Obstaja mnenje, da plin leži pod zemljo v prazninah in se od tam enostavno pridobiva, za kar zadostuje vrtina. Toda v resnici je vse veliko bolj zapleteno: plin se lahko nahaja znotraj porozne kamnine, lahko je raztopljen v vodi, tekočih ogljikovodikih, nafti.

Da bi razumeli, zakaj do tega pride, je dovolj, da se spomnimo, da beseda 'plin' izvira iz grške besede 'haos', ki odraža načelo obnašanja snovi. V plinastem stanju se molekule gibljejo kaotično, pri čemer si prizadevajo enakomerno zapolniti ves razpoložljiv prostor. Zaradi tega lahko prodrejo in se raztopijo v drugih snoveh, vključno z gostejšimi tekočinami in minerali. Visok tlak in temperatura močno okrepita proces difuzije. Pogosto se v takšni 'mešanici' zemeljski plin nahaja v notranjosti Zemlje.

Toda najprej se pogovorimo o tem, iz česa je plin sestavljen in kaj predstavlja – obravnavali bomo kemično sestavo in fizikalne lastnosti zemeljskega gorilnega plina.

Značilnosti kemične sestave

Plin, pridobljen iz notranjosti Zemlje, ki ga imenujemo 'zemeljski', je mešanica različnih plinov.

Po sestavi se deli v tri skupine komponent:

• gorljivi – ogljikovodiki;
• negorljivi (balasti) – dušik, ogljikov dioksid, kisik, helij, vodna para;
• škodljive primesi – vodikov sulfid in merkaptani.

Prva in glavna skupina je niz ogljikovodikov metanske vrste (homologov) s številom ogljikovih atomov od 1 do 5. Največji odstotek v mešanici predstavlja metan (od 70 do 98 %), ki ima en ogljikov atom. Vsebnost ostalih plinov (etan, propan, butan, pentan) se giblje od enot do desetink odstotka.

Za plin, pridobljen iz nahajališč, je značilna visoka koncentracija metana. V pridruženem plinu, pridobljenem iz nafte, je delež metana veliko nižji: 30–60 %, delež homologov pa višji: 10–20 %.

Poleg ogljikovodikov so v mešanici lahko prisotne tudi negorljive snovi v majhnih količinah: vodikov sulfid, dušik, ogljikov dioksid, ogljikov monoksid, vodik in druge. Vendar se lahko deleži ogljikovodikov, kakor tudi sestava drugih plinov, glede na nahajališče znatno razlikujejo.

Fizikalne lastnosti plina

Po fizikalnih lastnostih metan CH₄ nima barve in vonja, je zelo vnetljiv. Pri koncentracijah v zraku nad 4,5 % je eksploziven. Ta lastnost v kombinaciji z odsotnostjo vonja predstavlja veliko grožnjo in težavo. Še posebej v rudnikih, saj metan absorbira premog.

O vzrokih eksplozije plina v gospodinjstvih smo pisali v tem članku.

Za vonj po plinu, da bi odkrili njegova uhajanja, pred transportom dodajajo posebne snovi z neprijetnim vonjem – odorante. Najpogosteje gre za žveplove spojine – etantiol ali etilmerkaptan. Delež primesi izberejo tako, da je uhajanje zaznavno pri koncentraciji plina 1 %.

Glavna prednost modrega goriva je visoka specifična kurilna vrednost – 39 MJ/kg. Pri tem se sproščajo neškodljive snovi: voda in ogljikov dioksid. To je tudi pomemben dejavnik, ki omogoča uporabo metana v gospodinjstvih.

Od kod prihaja plin v zemeljskih globinah?

Čeprav so se ljudje naučili uporabljati plin pred več kot 200 leti, do danes ni enotnega mnenja, od kod prihaja plin v zemeljskih globinah.

Osnovne teorije nastanka

Obstajata dve glavni teoriji njegovega nastanka:

• mineralna, ki pojasnjuje nastanek plina s procesi degazacije ogljikovodikov iz globljih in gostejših plasti zemlje ter njihovim dvigovanjem v območja z nižjim tlakom;
• organska (biogena), po kateri je plin produkt razgradnje ostankov živih organizmov v pogojih povišanega tlaka, temperature in odsotnosti zraka.

V nahajališču je plin lahko v obliki posameznega skladišča, plinske kape, raztopine v nafti ali vodi, ali pa v obliki plinskih hidratov. V slednjem primeru so nahajališča v poroznih kamninah med plinotesnimi plastmi gline. Najpogosteje so te kamnine strnjeni peščenjak, karbonati, apnenci.

Delež običajnih plinskih nahajališč znaša le 0,8 %. Nekoliko večji odstotek odpade na globinski, premogovni in skrilavec plin – od 1,4 do 1,9 %. Najbolj razširjeni vrsti nahajališč sta v vodi raztopljeni plini in hidrati – približno v enakih razmerjih (po 46,9 %).

Ker je plin lažji od nafte in voda težja, je položaj fosilov v plasteh vedno enak: plin je nad nafto, voda pa podpira celotno naftno-plinsko nahajališče od spodaj.

Plin v plasti je pod tlakom. Globlje kot so usedline, višji je tlak. V povprečju na vsakih 10 metrov prirastek tlaka znaša 0,1 MPa. Obstajajo plasti z anomalno visokim tlakom. Na primer, v Ačimovskih usedlinah Urengojskega nahajališča dosega 600 atmosfer in več pri globini ležišča od 3800 do 4500 m.

Zanimiva dejstva in hipoteze

Še ne tako dolgo nazaj je veljalo, da naj bi se svetovne zaloge nafte in plina izčrpale že v začetku 21. stoletja. Na primer, o tem je leta 1965 pisal ugledni ameriški geofizik Habbert.

Do sedaj številne države še vedno povečujejo hitrost proizvodnje plina. Nobenih resničnih znakov, da se zaloge ogljikovodikov izčrpavajo, ni mogoče opaziti.

Po mnenju doktorja geološko-mineraloških znanosti V. V. Polevanova so takšne zablode posledica dejstva, da je teorija organskega izvora nafte in plina še vedno splošno sprejeta in obvladuje misli večine znanstvenikov. Čeprav je že D. I. Mendeljejev utemeljil teorijo o anorganskem globinskem izvoru nafte, nato pa sta to dokazala Kudrjavcev in V. R. Larin.

Toda proti organskemu izvoru ogljikovodikov govorijo številna dejstva.

Tukaj je nekaj izmed njih:

• odkrita so nahajališča na globinah do 11 km v kristaliničnih temeljih, kjer obstoj organskih snovi ne more biti niti teoretično;
• s pomočjo organske teorije je mogoče pojasniti le 10 % zalog ogljikovodikov, preostalih 90 % je nepojasnjenih;
• vesoljska sonda «Kasini» je leta 2000 na Saturnovi luni Titan odkrila ogromne vire ogljikovodikov v obliki jezer, za več redov velikosti presegajočih zemeljske.

Hipoteza, ki jo je postavil Larin, o prvotno hidridni Zemlji pojasnjuje nastanek ogljikovodikov z reakcijo vodika z ogljikom v globinah Zemlje in poznejšo degazacijo metana.

Po njej ni nobenih starih nahajališč iz jurskega obdobja. Vsa nafta in plin sta lahko nastala v obsegu od 1 do 15 tisoč let nazaj. S črpanjem se lahko zaloge postopoma obnavljajo, kar je opaženo na že dolgo izčrpanih in opuščenih naftnih nahajališčih.

Kako potekata pridobivanje in transport?

Postopek pridobivanja naravnega gorljivega plina se začne z gradnjo vrtin. Odvisno od ležišča plinonosne plasti lahko njihova globina doseže 7 km. Med vrtanjem se v vrtino spušča cev (obodna kolona). Da bi preprečili uhajanje plina skozi prostor med cevjo in stenami vrtine, se izvaja tamponaža – zapolnjevanje reže z glino ali cementom.

Po končani gradnji se vrtalni stolp odstrani in na glavo oplaščnega stolpa se namesti fontana armatura. Sestavljena je iz zapiral in ventilov ter služi za odvzem plina iz vrtine.

Število vrtin je lahko precej veliko.

Fontana armatura ima več funkcij: v vrtini drži v obešenem stanju cevi za črpalke in kompresorje, upravlja delovne režime ter meri parametre zunanjega in notranjega dela vrtine.

Celoten cikel pridobivanja zemeljskega plina poteka v treh fazah:

1. Razvoj plinskega polja. Z vrtanjem se ustvari tlačna razlika. Zaradi tega se plin premika po plasteh proti vrtinam.
2. Izkoriščanje plinskih vrtin. Na tej stopnji plin potuje po oplaščni koloni.
3. Zbiranje in priprava na transport. Plin iz vseh fontana armaturov prihaja v posebne tehnološke komplekse UKPG. V njih poteka sušenje plina, čiščenje škodljivih primesi.

Tudi majhne koncentracije vodikovega sulfida, vodne pare ali trdnih delcev povzročijo hitro korozijo, nastanek hidrata in mehanske poškodbe notranje površine cevovoda.

Končna priprava na transport poteka na glavnih objektih. Vključuje dodatno čiščenje in odstranitev ogljikovodikovega kondenzata, hlajenje plina za zmanjšanje njegove prostornine.

Glavni način transporta plina na dolge razdalje je magistralni plinovod. Ta predstavlja sistem kompleksnih inženirskih objektov od samih cevovodov do podzemnih skladišč.

Na končni točki magistrale so plinske distribucijske postaje (GRS). Tu poteka končno čiščenje primesi prahu in tekočin, znižanje tlaka na raven, ki jo potrebujejo potrošniki, njegova stabilizacija, merjenje porabe plina in dodajanje odoranta.

Drug pogost način transporta metana so pomorski prevozi s posebnimi ladjami – plinskimi tankerji.

Ogromni sferični rezervoarji ne bodo dovolili zamenjati plinske ladje z drugimi vrstami ladij. Predstavljajo termose, ki vzdržujejo stalno potrebno temperaturo za tekoči metan -163 °C.

Pretvorba plina v tekoče stanje se izvaja v posebnih obratih za LNG. Postopek poteka v dveh fazah: najprej se metan ohladi na -50 °C, nato pa na -163 °C. Pri tem se njegova prostornina zmanjša za 600-krat.

Predelava in področje uporabe

Visoka vnetljivost zemeljskega plina določa njegovo glavno uporabo. Uporablja se kot gorivo v tovarnah, obratih, termoelektrarnah, kotlovnicah, ustanovah, stanovanjskih hišah, kmetijskih objektih in mnogih drugih. Priporočamo, da se seznanite s pravili uporabe plina v gospodinjstvu.

Pridobivanje in predelava nafte vedno spremlja sproščanje spremljevalnega plina. V nekaterih primerih so njegove količine lahko impresivne in znašajo do 300 kubičnih metrov na en kubik surove nafte.

Vendar obstaja veliko število nahajališč, kjer se naravni spremljevalni plin ne uporablja, ampak se sežiga v baklah. Na primer, po vsej Rusiji se na ta način izgubi do 25% koristnih surovin.

Del spremljevalnega plina pride v plinske predelovalne obrate. Iz njega pridobivajo prečiščen suh plin, ki se uporablja za ogrevanje. Druga dragocena sestavina je mešanica lahkih ogljikovodikov.

Shema prikazuje splošno sliko postopka predelave pridobljenega plina. Vloge končnih izdelkov za sodobno kemično industrijo je težko preceniti.

Nato se v posebnih napravah loči na frakcije. Kot rezultat dobimo ogljikovodike, kot so propan, butan, izobutan, pentan. Za zmanjšanje prostornine, lažji transport in skladiščenje jih utekočinijo.

Predelava avtomobilov na plin se hitro povrne in prinaša občuten prihranek sredstev. Širitev mreže plinskih črpalk prispeva k povečanju voznega parka avtomobilov s plinsko napeljavo. Koristi nimajo le vozniki, ampak tudi pešci, ki jim ni treba dihati škodljivih izpušnih plinov.

Propan in butan se uporabljata za ogrevanje hiš s plinom v jeklenkah ali za avtomobile. Toda večji del gre v nadaljnjo predelavo v petrokemične obrate.

Z visokotemperaturnim segrevanjem (pirolizo) iz njih pridobijo glavno surovino za vse sintetične materiale – monomere: etilen, propilen, butadien. Pod vplivom katalizatorja se povežejo v polimere. Na koncu dobimo tako dragocene materiale, kot so kavčuk, PVC, polietilen in mnogi drugi.

Zaključki in koristen video na to temo

V dokumentarnem filmu je dostopno in nazorno povedano o plinu:

Ta izobraževalni film je posvečen magistralnemu transportu plina:

Nam še zdaleč ni vse znano o zemeljskem plinu – njegov izvor še vedno skriva številne uganke. Ostaja upanje, da je modro gorivo resnično neizčrpen dar, ki ga bo dovolj tako za nas kot za naše potomce.

Ali imate po branju zgoraj navedenega gradiva še kakšna vprašanja? Ali želite članek dopolniti s koristnimi pripombami, zanimivimi dejstvi ali fotografijami? Pišite svoje komentarje, postavljajte vprašanja, sodelujte v razpravi – obrazec za povratne informacije se nahaja spodaj.