Všetko o zemnom plyne: zloženie a vlastnosti, ťažba a použitie zemného plynu

Vďaka vysokej energetickej efektívnosti a ekologickosti má zemný plyn popri rope prvoradý význam. Široko sa používa ako palivo a tiež slúži ako cenná surovina pre chemický priemysel.

A hoci používanie plynu sa stalo každodenným a obvyklým, stále zostáva zložitým zložením a pomerne nebezpečnou látkou – aby sa dostal do horáka plynového spotrebiča, prechádza dlhou a zložitou cestou.

V článku si rozoberieme základné otázky súvisiace so zemným horľavým plynom – porozprávame sa o jeho zložení a vlastnostiach, opíšeme etapy ťažby, prepravy a spracovania plynu, oblasti jeho použitia. Zvážime moderné predstavy o pôvode zásob uhľovodíkov, zaujímavé fakty a hypotézy.

Čo je to zemný horľavý plyn?

Existuje názor, že plyn leží pod zemou v dutinách a ľahko sa odtiaľ ťaží, na čo stačí vyvŕtať vrt. V skutočnosti je však všetko oveľa komplikovanejšie: plyn sa môže nachádzať vo vnútri poréznej horniny, môže byť rozpustený vo vode, tekutých uhľovodíkoch, rope.

Aby sme pochopili, prečo k tomu dochádza, stačí si spomenúť, že slovo «plyn» pochádza z gréckeho «chaos», ktoré odráža princíp správania látky. V plynnom stave sa molekuly pohybujú chaoticky, snažiac sa rovnomerne vyplniť všetok možný objem. Vďaka tomu sú schopné prenikať a rozpúšťať sa v iných látkach, vrátane hustejších kvapalín a minerálov. Vysoký tlak a teplota výrazne zosilňujú proces difúzie. Často práve vo forme takéhoto «kokteilu» sa zemný plyn nachádza v útrobách zeme.

Na začiatok sa porozprávame o tom, z čoho pozostáva plyn a čo predstavuje – pozrieme sa na chemické zloženie a fyzikálne vlastnosti zemného horľavého plynu.

Zvláštnosti chemického zloženia

Plyn ťažený z útrob zeme, ktorý sa nazýva «zemný», je zmesou rôznych plynov.

Podľa zloženia sa delí na tri skupiny komponentov:

• horľavé – uhľovodíky;
• nehorľavé (balastné) – dusík, oxid uhličitý, kyslík, hélium, vodné pary;
• škodlivé nečistoty – sírovodík a merkaptány.

Prvá a hlavná skupina predstavuje súbor uhľovodíkov metánového radu (homológov) s počtom atómov uhlíka od 1 do 5. Najväčšie percento v zmesi tvorí metán (od 70 do 98 %), ktorý má jeden atóm uhlíka. Obsah ostatných plynov (etánu, propánu, butánu, pentánu) kolíše od jednotiek až po desatiny percenta.

Pre plyn ťažený z ložísk je charakteristická vysoká koncentrácia metánu. V sprievodnom plyne, získavanom z ropy, je podiel metánu oveľa nižší: 30 – 60 %, a podiel homológov vyšší: 10 – 20 %.

Okrem uhľovodíkov môžu byť v zmesi prítomné nehorľavé látky v malých množstvách: sírovodík, dusík, oxid uhličitý, oxid uhoľnatý, vodík a iné. Ale v závislosti od ložiska sa pomery uhľovodíkov, ako aj zloženie ostatných plynov, môžu výrazne meniť.

Fyzikálne vlastnosti plynu

Podľa fyzikálnych vlastností metán CH₄ nemá farbu ani zápach, je veľmi horľavý. Pri koncentráciách vo vzduchu nad 4,5 % – je výbušný. Táto jeho vlastnosť v kombinácii s absenciou zápachu predstavuje veľkú hrozbu a problém. Najmä v baniach, pretože metán sa absorbuje uhlím.

O príčinách výbuchu plynu v domácich podmienkach sme písali v tomto materiáli.

Na dodanie zápachu plynu, na účely detekcie jeho únikov, sa pred prepravou do neho pridávajú špeciálne látky s nepríjemným zápachom – odoranty. Najčastejšie sú to sirné zlúčeniny – etántiol alebo etylmerkaptán. Podiel prímesi sa volí tak, aby bol únik cítiť pri koncentrácii plynu 1 %.

Hlavnou výhodou modrého paliva je vysoká špecifická spalná tepelná hodnota – 39 MJ/kg. Pritom sa uvoľňujú neškodné látky: voda a oxid uhličitý. To je tiež dôležitý faktor, ktorý umožňuje používať metán v domácnosti.

Odkiaľ plyn pochádza v zemských útrobách?

Hoci sa ľudia naučili používať plyn pred viac ako 200 rokmi, dodnes neexistuje jednotný názor na to, odkiaľ sa plyn v zemských hlbinách berie.

Základné teórie pôvodu

Existujú dve základné teórie jeho vzniku:

• minerálna, ktorá vysvetľuje vznik plynu procesmi odplynenia uhľovodíkov z hlbších a hustejších vrstiev zeme a ich zdvíhaním do zón s nižším tlakom;
• organická (biogénna), podľa ktorej je plyn produktom rozkladu zvyškov živých organizmov v podmienkach zvýšeného tlaku, teploty a neprítomnosti vzduchu.

V ložisku sa plyn môže nachádzať vo forme samostatného nahromadenia, plynovej čiapky, roztoku v rope alebo vode, prípadne plynových hydrátov. V poslednom prípade sa ložiská nachádzajú v pórovitých horninách medzi plynonepriepustnými vrstvami ílu. Najčastejšie sú takýmito horninami zhutnený pieskovec, karbonáty, vápence.

Podiel bežných plynových ložísk je len 0,8%. O niečo väčšie percento pripadá na hlbinný, uhoľný a bridlicový plyn – od 1,4 do 1,9%. Najrozšírenejšími druhmi ložísk sú vodou rozpustené plyny a hydráty – približne v rovnakých pomeroch (po 46,9%).

Keďže plyn je ľahší ako ropa a voda je ťažšia, poloha fosílií v súvrství je vždy rovnaká: plyn je nad ropou a voda podopiera zospodu celé ropno-plynové ložisko.

Plyn v súvrství je pod tlakom. Čím hlbšie sú ložiská, tým je tlak vyšší. V priemere na každých 10 metrov predstavuje nárast tlaku 0,1 MPa. Existujú súvrstvia s anomálne vysokým tlakom. Napríklad na Ačimovských súvrstviach Urengojského ložiska dosahuje 600 atmosfér a viac pri hĺbke uloženia od 3800 do 4500 m.

Zaujímavé fakty a hypotézy

Ešte nie tak dávno sa predpokladalo, že svetové zásoby ropy a plynu sa vyčerpajú už na začiatku 21. storočia. Napríklad o tom v roku 1965 písal autoritatívny americký geofyzik Hubbert.

Dodnes mnohé krajiny naďalej zvyšujú tempo ťažby plynu. Nezaznamenávajú sa žiadne skutočné znaky toho, že by sa zásoby uhľovodíkov vyčerpávali.

Podľa názoru doktora geologicko-mineralogických vied V. V. Polevanova sú takéto bludy spôsobené tým, že teória organického pôvodu ropy a plynu je dodnes všeobecne prijímaná a ovláda mysle väčšiny vedcov. Hoci už D. I. Mendelejev zdôvodnil teóriu o anorganickom hlbinnom pôvode ropy a následne to bolo dokázané Kudrjavcevom a V. R. Larinom.

Proti organickému pôvodu uhľovodíkov však hovorí mnoho faktov.

Tu sú niektoré z nich:

• boli objavené ložiská v hĺbkach do 11 km v kryštalických podložiach, kde existencia organických látok nemôže byť ani teoreticky možná;
• pomocou organickej teórie možno vysvetliť len 10 % zásob uhľovodíkov, zvyšných 90 % je nevysvetliteľných;
• kozmická sonda «Cassini» objavila v roku 2000 na Saturnovom mesiaci Titan obrovské zdroje uhľovodíkov vo forme jazier, ktoré sú o niekoľko rádov väčšie ako pozemské.

Hypotéza pôvodne hydridovej Zeme, ktorú predložil Larin, vysvetľuje pôvod uhľovodíkov reakciou vodíka s uhlíkom v hĺbkach zeme a následnou degazáciou metánu.

Podľa nej neexistujú žiadne staroveké ložiská z jury. Všetka ropa a plyn sa mohli vytvoriť v rozpätí od 1 do 15 tisíc rokov dozadu. S odberom sa zásoby môžu postupne dopĺňať, čo bolo pozorované na dávno vyťažených a opustených ropných ložiskách.

Ako prebieha ťažba a preprava?

Proces ťažby prírodného horľavého plynu začína výstavbou vrtov. V závislosti od uloženia plynosnej vrstvy môže ich hĺbka dosahovať až 7 km. Počas vŕtania sa do vrtu spúšťa rúra (pažnica). Aby sa zabránilo úniku plynu priestorom medzi rúrou a stenami vrtu, vykonáva sa tamponáž – vyplnenie medzery hlinou alebo cementom.

Po ukončení stavby sa vrtná veža odstráni a na hlavicu pažnicovej kolóny sa nainštaluje fontánová armatúra. Predstavuje konštrukciu z uzáverov a ventilov, slúži na odber plynu z vrtu.

Počet vrtov môže byť pomerne veľký.

Fontánová armatúra plní niekoľko funkcií: udržiava zavesené produkčné rúry vo vrte, riadi pracovné režimy, meria parametre vonkajšej a vnútornej časti vrtu.

Celý cyklus ťažby zemného plynu prebieha v troch etapách:

1. Vývoj plynového ložiska. V dôsledku vŕtania vzniká tlakový rozdiel. Vďaka tomu sa plyn pohybuje vrstvou k vrtom.
2. Prevádzka plynových vrtov. V tejto fáze plyn prechádza cestou po pažnicovej kolóne.
3. Zber a príprava na prepravu. Plyn zo všetkých fontánových armatúr prichádza na špeciálne technologické komplexy UKPG. V nich prebieha sušenie plynu, čistenie od škodlivých nečistôt.

Dokonca aj malé koncentrácie sírovodíka, vodnej pary alebo pevných častíc vedú k rýchlej korózii, tvorbe hydrátov a mechanickému poškodeniu vnútorného povrchu potrubia.

Záverečná príprava na prepravu prebieha na hlavných zariadeniach. Zahŕňa dočistenie a odstránenie uhľovodíkového kondenzátu, ochladenie plynu na zmenšenie jeho objemu.

Hlavným spôsobom prepravy plynu na veľké vzdialenosti je hlavný plynovod. Predstavuje systém zložitých inžinierskych stavieb od samotných potrubí až po podzemné zásobníky.

V koncovom bode hlavného plynovodu sa nachádzajú plynárenské distribučné stanice (PDS). Tu prebieha konečné čistenie od nečistôt prachu a kvapalín, zníženie tlaku na úroveň potrebnú pre odberateľov, jeho stabilizácia, meranie prietoku plynu a pridávanie odorantu.

Ďalším rozšíreným spôsobom prepravy metánu sú námorné prepravy špeciálnymi loďami – plynovými loďami.

Obrovské guľovité nádrže nedovolia zameniť plynovú loď s inými typmi plavidiel. Predstavujú termosky udržiavajúce stálu potrebnú teplotu pre kvapalný metán -163 °C.

Premena plynu na kvapalné skupenstvo sa vykonáva v špeciálnych závodoch na LNG. Proces prebieha v dvoch etapách: najprv sa metán ochladí na -50 °C, potom na -163 °C. Pritom sa jeho objem zmenší 600-krát.

Spracovanie a oblasť použitia

Vysoká horľavosť zemného plynu určuje jeho hlavné využitie. Používa sa ako palivo v závodoch, továrňach, tepelných elektrárňach, kotolniach, inštitúciách, v obytných domoch, poľnohospodárskych objektoch a mnohých ďalších. Odporúčame oboznámiť sa s pravidlami používania plynu v domácnosti.

Ťažba a spracovanie ropy je vždy sprevádzané uvoľňovaním sprievodného plynu. V niektorých prípadoch môžu byť jeho objemy značné a dosahovať až 300 kubických metrov na jeden kubický meter surovej ropy.

Existuje však veľké množstvo ložísk, kde sa prírodný sprievodný plyn nevyužíva, ale spaľuje sa v fakľoch. Napríklad v celom Rusku sa takto stráca až 25% užitočnej suroviny.

Časť sprievodného plynu putuje do plynárskych závodov. Z neho sa získava čistený suchý plyn, ktorý sa používa na kúrenie. Ďalšou cennou zložkou je zmes ľahkých uhľovodíkov.

Na schéme je znázornený celkový obraz procesu spracovania ťaženého plynu. Úlohu konečných produktov pre moderný chemický priemysel je ťažké preceniť.

Ďalej sa rozdeľuje na frakcie v špeciálnych zariadeniach. Výsledkom sú uhľovodíky ako propán, bután, izobután, pentán. Na zmenšenie objemu, uľahčenie prepravy a skladovania sa skvapalňujú.

Prestavba automobilov na plyn sa rýchlo vracia a prináša výraznú úsporu peňazí. Rozšírenie siete plynových čerpacích staníc prispieva k nárastu počtu vozidiel s LPG. Nezískavajú len vodiči, ale aj chodci, ktorí nemusia dýchať škodlivé výfukové plyny.

Propán a bután sa používajú na vykurovanie domov plynom z fliaš alebo pre automobily. Väčšina však putuje na ďalšie spracovanie v petrochemických výrobniach.

Vysokoteplotným ohrevom (pyrolýzou) sa z nich získava hlavná surovina pre všetky syntetické materiály – monoméry: etylén, propylén, butadién. Pôsobením katalyzátorov sa spájajú do polymérov. Výsledkom sú také cenné materiály ako kaučuk, PVC, polyetylén a mnohé ďalšie.

Závery a užitočné video k téme

V dokumentárnom filme je prístupne a názorne opísaný plyn:

Tento vzdelávací film je venovaný diaľkovej preprave plynu:

Zďaleka nie všetko je nám ešte známe o zemnom plyne – jeho pôvod stále ukrýva mnoho záhad. Zostáva len dúfať, že modré palivo je skutočne nevyčerpateľným darom, ktorý postačí nám aj našim potomkom.

Zostali vám otázky po prečítaní uvedeného materiálu? Alebo chcete doplniť článok o užitočné poznámky, zaujímavé fakty alebo fotografie? Napíšte svoje komentáre, pýtajte sa, zapojte sa do diskusie – formulár spätnej väzby sa nachádza nižšie.