Viss par dabasgāzi: sastāvs un īpašības, ieguve un izmantošana

Pateicoties augstajai energoefektivitātei un videi draudzīgumam, dabasgāzei kopā ar naftu ir pirmšķirīga nozīme. To plaši izmanto kā degvielu, kā arī tā kalpo par vērtīgu izejvielu ķīmiskajai rūpniecībai.

Un, lai gan gāzes izmantošana ir kļuvusi ikdienišķa un pierasta, tā joprojām ir sarežģīta pēc sastāva un diezgan bīstama viela – lai nokļūtu gāzes iekārtas deglī, tā veic garu un sarežģītu ceļu.

Rakstā mēs apskatīsim galvenos jautājumus, kas saistīti ar dabasgāzi – runāsim par tās sastāvu un īpašībām, aprakstīsim gāzes ieguves, transportēšanas un pārstrādes posmus, tās pielietojuma sfēras. Apskatīsim mūsdienu priekšstatus par ogļūdeņražu krājumu izcelsmi, interesantus faktus un hipotēzes.

Kas ir dabasgāze?

Pastāv uzskats, ka gāze atrodas zem zemes tukšumos un to viegli var iegūt, urbjot aku. Taču patiesībā viss ir daudz sarežģītāk: gāze var atrasties porainā ieža iekšienē, var būt izšķīdusi ūdenī, šķidros ogļūdeņražos, naftā.

Lai saprastu, kāpēc tas notiek, pietiek atcerēties, ka vārds «gāze» cēlies no grieķu «haoss», kas atspoguļo vielas uzvedības principu. Gāzveida stāvoklī molekulas pārvietojas haotiski, cenšoties vienmērīgi aizpildīt visu iespējamo tilpumu. Pateicoties tam, tās spēj iekļūt un izšķīst citās vielās, tostarp arī blīvākos šķidrumos un minerālos. Augsts spiediens un temperatūra ievērojami pastiprina difūzijas procesu. Bieži tieši šāda «kokteiļa» veidā dabasgāze atrodas zemes dzīlēs.

Bet sākumā parunāsim par to, no kā sastāv gāze un ko tā īsti pārstāv – apskatīsim dabasgāzes ķīmisko sastāvu un fizikālās īpašības.

Ķīmiskā sastāva īpatnības

Gāze, kas iegūta no zemes dzīlēm, ko sauc par «dabasgāzi», ir dažādu gāzu maisījums.

Pēc sastāva to iedala trīs komponentu grupās:

• degvielas – ogļūdeņraži;
• nedegvielas (balasti) – slāpeklis, oglekļa dioksīds, skābeklis, hēlijs, ūdens tvaiki;
• kaitīgie piemaisījumi – sērūdeņradis un merkaptāni.

Pirmā un galvenā grupa ir metāna rindas ogļūdeņražu (homologu) kopums ar oglekļa atomu skaitu no 1 līdz 5. Lielāko procentuālo daļu maisījumā veido metāns (no 70 līdz 98%), kam ir viens oglekļa atoms. Pārējo gāzu (etāna, propāna, butāna, pentāna) saturs svārstās no vienībām līdz desmitdaļām procenta.

Gāzei, kas iegūta no atradnēm, raksturīga augsta metāna koncentrācija. Pavadošajā gāzē, kas iegūta no naftas, metāna īpatsvars ir daudz zemāks: 30–60%, bet homologu īpatsvars ir augstāks: 10–20%.

Papildus ogļūdeņražiem maisījumā nelielos daudzumos var būt nedegošas vielas: sērūdeņradis, slāpeklis, oglekļa dioksīds, oglekļa monoksīds, ūdeņradis un citi. Tomēr atkarībā no atradnes ogļūdeņražu proporcijas, kā arī citu gāzu sastāvs var ievērojami svārstīties.

Gāzes fizikālās īpašības

Pēc fizikālajām īpašībām metānam CH₄ nav krāsas un smaržas, tas ir ļoti uzliesmojošs. Ja koncentrācija gaisā pārsniedz 4,5%, tas ir sprādzienbīstams. Šī īpašība kopā ar smaržas trūkumu rada lielus draudus un problēmas. Īpaši raktuvēs, jo metāns uzsūcas akmeņoglēs.

Par gāzes sprādziena iemesliem sadzīves apstākļos mēs rakstījām šajā materiālā.

Lai piešķirtu gāzei smaržu, lai atklātu noplūdes, pirms transportēšanas tai pievieno īpašas vielas ar nepatīkamu smaržu – odorantus. Visbiežāk tie ir sēru saturoši savienojumi – etāntiols vai etilmerkaptāns. Piemaisījuma daudzumu izvēlas tā, lai noplūde būtu jūtama pie gāzes koncentrācijas 1%.

Zilās degvielas galvenā priekšrocība ir augstais īpatnējais sadegšanas siltums – 39 MJ/kg. Turklāt izdalās nekaitīgas vielas: ūdens un oglekļa dioksīds. Tas ir arī svarīgs faktors, kas ļauj izmantot metānu sadzīvē.

No kurienes rodas gāze zemes dzīlēs?

Lai gan cilvēki ir iemācījušies izmantot gāzi vairāk nekā pirms 200 gadiem, līdz mūsdienām nav vienota viedokļa par to, no kurienes nāk gāze zemes dzīlēs.

Galvenās izcelsmes teorijas

Ir divas galvenās tās izcelsmes teorijas:

• minerālā, kas izskaidro gāzes veidošanos ar ogļūdeņražu degazācijas procesiem no dziļākiem un blīvākiem zemes slāņiem un to pacelšanos zonās ar zemāku spiedienu;
• organiskā (biogēnā), saskaņā ar kuru gāze ir dzīvo organismu atlieku sadalīšanās produkts apstākļos ar paaugstinātu spiedienu, temperatūru un bez gaisa.

Atradnēs gāze var atrasties kā atsevišķs uzkrājums, gāzes vāciņš, šķīdums naftā vai ūdenī, vai arī gāzes hidrāti. Pēdējā gadījumā atradnes atrodas porainos iežos starp gāzi necaurlaidīgiem māla slāņiem. Visbiežāk šādi ieži ir sablīvēts smilšakmens, karbonāti, kaļķakmens.

Parasto gāzes atradņu īpatsvars ir tikai 0,8%. Nedaudz lielāks procents attiecas uz dziļo, ogļu un slānekļa gāzi – no 1,4 līdz 1,9%. Visbiežāk sastopamie atradņu veidi ir ūdenī izšķīdušās gāzes un hidrāti – aptuveni vienādās proporcijās (katra 46,9%).

Tā kā gāze ir vieglāka par eļļu, bet ūdens ir smagāks, fosiliju novietojums slānī vienmēr ir vienāds: gāze atrodas virs eļļas, bet ūdens atbalsta visu naftas un gāzes atradni no apakšas.

Gāze slānī atrodas zem spiediena. Jo dziļāk atradnes, jo tas ir augstāks. Vidēji uz katriem 10 metriem spiediena pieaugums ir 0,1 MPa. Pastāv slāņi ar anomāli augstu spiedienu. Piemēram, Urengojas atradnes Ačimovas nogulumos tas sasniedz 600 atmosfēras un vairāk, ja atradnes dziļums ir no 3800 līdz 4500 m.

Interesanti fakti un hipotēzes

Vēl nesen tika uzskatīts, ka pasaules naftas un gāzes rezerves izsīks jau 21. gadsimta sākumā. Piemēram, 1965. gadā par to rakstīja autoritatīvs amerikāņu ģeofiziķis Habberts.

Līdz šim daudzas valstis turpina palielināt gāzes ieguves tempus. Nav novērojamas nekādas reālas pazīmes, ka ogļūdeņražu rezerves beidzas

Pēc ģeoloģijas un mineraloģijas zinātņu doktora V.V. Polevanova domām, šādi maldīgi priekšstati ir saistīti ar to, ka organiskās izcelsmes teorija joprojām ir vispārpieņemta un dominē lielākās daļas zinātnieku prātos. Lai gan jau D.I. Mendeļejevs pamatoja teoriju par neorganisko dziļo naftas izcelsmi, un vēlāk to pierādīja Kudrjavcevs un V.R. Larins.

Tomēr daudzi fakti liecina pret ogļūdeņražu organisko izcelsmi.

Šeit ir daži no tiem:

• atklātas atradnes līdz 11 km dziļumā, kristāliskajos pamatos, kur organiskās vielas eksistence pat teorētiski nav iespējama;
• ar organiskās teorijas palīdzību var izskaidrot tikai 10 % ogļūdeņražu rezervju, pārējie 90 % nav izskaidrojami;
• kosmiskā zonde "Cassini" 2000. gadā uz Saturna pavadoņa Titāna atklāja milzīgus ogļūdeņražu resursus ezeru veidā, kas vairākas kārtas pārsniedz zemes resursus.

Larina izvirzītā hipotēze par sākotnēji hidrīdu Zemi izskaidro ogļūdeņražu izcelsmi ar ūdeņraža un oglekļa reakciju Zemes dzīlēs un sekojošu metāna degazēšanu.

Saskaņā ar to nav nekādu senu juras perioda atradņu. Visa nafta un gāze varēja izveidoties laika posmā no 1 līdz 15 tūkstošiem gadu atpakaļ. Ieguves laikā rezerves var pakāpeniski papildināties, kas ir novērots sen izstrādātās un pamestās naftas atradnēs.

Kā notiek ieguve un transportēšana?

Dabas degvielas gāzes ieguves process sākas ar urbumu izbūvi. Atkarībā no gāzi saturošā slāņa atradnes dziļuma, tas var sasniegt 7 km. Urbšanas gaitā urbumā tiek nolaista caurule (apvalkcauruļu kolonna). Lai novērstu gāzes izplūšanu caur spraugu starp cauruli un urbuma sienām, tiek veikta cementēšana – spraugas aizpildīšana ar mālu vai cementu.

Pēc būvniecības pabeigšanas urbšanas tornis tiek noņemts, un uz apvalka kolonnas galvas tiek uzstādīta fontānas armattūra. Tā sastāv no aizbīdņu un vārstu konstrukcijas un kalpo gāzes ieguvei no urbuma.

Urbumu skaits var būt pietiekami liels.

Fontānas armattūrai ir vairākas funkcijas: tā notur sūkņu-kompresoru caurules piekārtā stāvoklī urbumā, pārvalda darba režīmus, mēra urbuma ārējās un iekšējās daļas parametrus.

Viss dabīgās deggāzes ieguves cikls notiek trīs posmos:

1. Gāzes atradnes izstrāde. Urbšanas rezultātā tiek radīta spiediena starpība. Pateicoties tam, gāze pārvietojas pa slāni uz urbumiem.
2. Gāzes urbumu ekspluatācija. Šajā posmā gāze veic ceļu pa apvalka kolonnu.
3. Savākšana un sagatavošana transportēšanai. Gāze no visām fontānas armattūrām nonāk īpašos tehnoloģiskos kompleksos UKPG. Tajos notiek gāzes žāvēšana, tīrīšana no kaitīgiem piemaisījumiem.

Pat nelielas sērūdeņraža, ūdens tvaiku vai cieto daļiņu koncentrācijas izraisa ātru koroziju, hidrātu veidošanos un mehāniskus bojājumus cauruļvada iekšējā virsmā.

Galīgā sagatavošana transportēšanai notiek uz galvenajām būvēm. Tā ietver papildu tīrīšanu un ogļūdeņraža kondensāta noņemšanu, gāzes dzesēšanu, lai samazinātu tās tilpumu.

Galvenais gāzes transportēšanas veids lielos attālumos ir maģistrālais gāzes vads. Tas sastāv no sarežģītu inženierbūvju sistēmas no pašiem cauruļvadiem līdz pazemes glabātuvēm.

Maģistrāles galapunktā atrodas gāzes sadales stacijas (GSS). Šeit notiek pēdējā tīrīšana no putekļu un šķidrumu piemaisījumiem, spiediena samazināšana līdz patērētājiem nepieciešamajam līmenim, tā stabilizācija, gāzes patēriņa uzskaite un odoranta pievienošana.

Vēl viens izplatīts metāna transportēšanas veids ir jūras pārvadājumi ar īpašiem kuģiem – gāzvedējkuģiem.

Milzīgas sfēriskas tvertnes neļaus sajaukt gāzvedējkuģi ar citiem kuģu tipiem. Tās ir termosi, kas uztur nemainīgu nepieciešamo temperatūru šķidrajam metānam -163 °C

Gāzes pārvēršana šķidrā stāvoklī tiek veikta īpašos SDS (sašķidrinātās dabasgāzes) rūpnīcās. Process notiek divos posmos: vispirms metāns tiek atdzesēts līdz -50 °C, pēc tam līdz -163 °C. Tādējādi tā tilpums samazinās 600 reizes.

Pārstrāde un pielietojuma jomas

Dabīgās gāzes augstā degtspēja nosaka tās galveno pielietojumu. To izmanto kā degvielu rūpnīcās, fabrikās, TEC, katlumājās, iestādēs, dzīvojamās mājās, lauksaimniecības objektos un daudzās citās vietās. Iesakām iepazīties ar gāzes izmantošanas noteikumiem mājsaimniecībā.

Naftas ieguvi un pārstrādi vienmēr pavada saistītās gāzes izdalīšanās. Dažos gadījumos tās apjomi var būt ievērojami un sasniegt līdz 300 kubikmetriem uz vienu jēlnaftas kubu.

Taču ir daudz atradņu, kur dabasgāzes pavadošā gāze netiek izmantota, bet tiek sadedzināta lāpās. Piemēram, visā Krievijā šādi tiek zaudēti līdz 25% vērtīgā izejmateriāla.

Daļa pavadošās gāzes nonāk gāzes pārstrādes rūpnīcās. No tās iegūst attīrītu sausu gāzi, ko izmanto apkurei. Vēl viena vērtīga sastāvdaļa ir vieglo ogļūdeņražu maisījums.

Shēmā ir parādīts vispārīgs iegūtās gāzes pārstrādes procesa attēls. Galaproduktu nozīmi mūsdienu ķīmiskajā rūpniecībā ir grūti pārvērtēt.

Tālāk to sadala frakcijās īpašās iekārtās. Rezultātā iegūst tādus ogļūdeņražus kā propāns, butāns, izobutāns, pentāns. Lai samazinātu tilpumu, atvieglotu transportēšanu un uzglabāšanu, tos sašķidrina.

Automašīnu pārbūve uz gāzi ātri atmaksājas un sniedz jūtamu līdzekļu ietaupījumu. Gāzes uzpildes staciju tīkla paplašināšana veicina automašīnu ar Gāzes Balonu Iekārtu (GBI) parka pieaugumu. Iegūst ne tikai vadītāji, bet arī gājēji, kuriem nav elpot kaitīgos izplūdes gāzes.

Propānu un butānu izmanto māju apkurei ar balonu gāzi vai automašīnām. Bet lielākā daļa nonāk tālāk pārstrādē naftas ķīmijas rūpnīcās.

Augstas temperatūras karsēšanas (pirolīzes) ceļā no tiem iegūst galveno izejvielu visiem sintētiskajiem materiāliem – monomērus: etilēns, propilēns, butadiēns. Katalizatoru iedarbībā tie savienojas polimēros. Izejā iegūst tādus vērtīgus materiālus kā gumija, PVH, polietilēns un daudzi citi.

Secinājumi un noderīgs video par tēmu

Dokumentālajā filmā pieejami un uzskatāmi ir stāstīts par gāzi:

Šī mācību filma ir veltīta maģistrālajam gāzes transportam:

Mums vēl ir tālu no tā, lai viss būtu zināms par dabasgāzi – tās izcelsme joprojām slēpj daudz noslēpumu. Atliek cerēt, ka zilā degviela ir patiešām neizsmeļama dāvana, kuras pietiks gan mums, gan mūsu pēctečiem.

Vai jums ir palikuši jautājumi pēc iepriekš izklāstītā materiāla izlasīšanas? Vai vēlaties papildināt rakstu ar noderīgiem komentāriem, interesantiem faktiem vai fotogrāfijām? Rakstiet savus komentārus, uzdodiet jautājumus, piedalieties diskusijā – atgriezeniskās saites forma atrodas zemāk.