Tất cả về khí tự nhiên: thành phần và tính chất, sản xuất và sử dụng khí tự nhiên

Do hiệu quả sử dụng năng lượng cao và thân thiện với môi trường, khí đốt tự nhiên cùng với dầu mỏ có tầm quan trọng đặc biệt.Nó được sử dụng rộng rãi làm nhiên liệu và cũng là nguyên liệu thô có giá trị cho ngành công nghiệp hóa chất.

Và mặc dù việc sử dụng gas đã trở nên quen thuộc và hàng ngày, nhưng nó vẫn là một chất phức tạp và khá nguy hiểm - để đi vào đầu đốt của thiết bị gas, nó phải trải qua một con đường dài và phức tạp.

Trong bài viết, chúng tôi sẽ phân tích các vấn đề chính liên quan đến khí dễ cháy tự nhiên - chúng tôi sẽ nói về thành phần và tính chất của nó, mô tả các giai đoạn sản xuất, vận chuyển và xử lý khí cũng như phạm vi ứng dụng của nó. Hãy xem xét những ý tưởng hiện đại về nguồn gốc của trữ lượng hydrocarbon, những sự thật và giả thuyết thú vị.

Khí dễ cháy tự nhiên là gì?

Có ý kiến ​​​​cho rằng khí nằm dưới lòng đất trong các khoảng trống và có thể dễ dàng khai thác từ đó, chỉ cần khoan giếng là đủ. Nhưng trên thực tế, mọi thứ phức tạp hơn nhiều: khí có thể ở bên trong đá xốp, nó có thể hòa tan trong nước, hydrocacbon lỏng và dầu.

Để hiểu tại sao điều này xảy ra, chỉ cần nhớ rằng từ “gas” xuất phát từ tiếng Hy Lạp “sự hỗn loạn", phản ánh nguyên tắc hoạt động của một chất. Ở trạng thái khí, các phân tử di chuyển hỗn loạn, cố gắng lấp đầy toàn bộ thể tích có thể một cách đồng đều. Do đó, chúng có thể xâm nhập và hòa tan trong các chất khác, bao gồm cả chất lỏng và khoáng chất đậm đặc hơn. Áp suất và nhiệt độ cao tăng cường đáng kể quá trình khuếch tán.Thông thường, dưới dạng một loại cocktail cocktail như vậy, khí tự nhiên được chứa trong lòng đất.

Nhưng trước tiên, hãy nói về khí bao gồm những gì và nó là gì - hãy xem thành phần hóa học và tính chất vật lý của khí dễ cháy tự nhiên.

Đặc điểm của thành phần hóa học

Khí khai thác từ lòng đất, được gọi là “tự nhiên”, là hỗn hợp của nhiều loại khí khác nhau.

Theo thành phần của nó, nó được chia thành ba nhóm thành phần:

• dễ cháy – hydrocacbon;
• Không bắt lửa (chấn lưu) – nitơ, carbon dioxide, oxy, heli, hơi nước;
• có hại tạp chất – hydro sunfua và mercaptan.

Nhóm đầu tiên và chính là tập hợp các hydrocacbon metan (tương đồng) có số nguyên tử cacbon từ 1 đến 5. Tỷ lệ lớn nhất trong hỗn hợp là metan (từ 70 đến 98%), có một nguyên tử cacbon. Hàm lượng của các loại khí khác (etan, propan, butan, pentan) dao động từ đơn vị đến phần mười phần trăm.

Khí khai thác từ các mỏ có đặc điểm là nồng độ khí mê-tan cao. Trong phụ phẩm chiết xuất từ ​​dầu mỏ, tỷ lệ khí metan thấp hơn nhiều: 30 – 60%, chất tương đồng cao hơn: 10 – 20%

Ngoài hydrocarbon, hỗn hợp có thể chứa một lượng nhỏ các chất không cháy: hydro sunfua, nitơ, carbon dioxide, carbon monoxide, hydro và các chất khác. Tuy nhiên, tùy thuộc vào lĩnh vực, tỷ lệ hydrocarbon, giống như thành phần của các loại khí khác, có thể thay đổi đáng kể.

Tính chất vật lý của khí

Theo tính chất vật lý của metan CH₄ không màu và không mùi, rất dễ cháy. Ở nồng độ không khí lớn hơn 4,5% – chất nổ. Đặc tính này, kết hợp với việc không có mùi, gây ra mối đe dọa và vấn đề lớn. Đặc biệt là ở các mỏ, vì khí metan được than hấp thụ.

Chúng tôi đã viết về nguyên nhân gây ra vụ nổ gas trong điều kiện gia đình ở vật liệu này.

Để tạo mùi cho khí nhằm phát hiện rò rỉ, các chất đặc biệt có mùi khó chịu - chất tạo mùi - được thêm vào khí trước khi vận chuyển. Thông thường, đây là những hợp chất chứa lưu huỳnh - ethanethiol hoặc ethyl mercaptan. Tỷ lệ tạp chất được chọn sao cho có thể nhận thấy rò rỉ ở nồng độ khí là 1%.

Ưu điểm chính của nhiên liệu xanh là nhiệt dung riêng cao khi đốt cháy - 39 MJ/kg. Điều này giải phóng các chất vô hại: nước và carbon dioxide. Đây cũng là yếu tố quan trọng cho phép sử dụng khí mêtan trong đời sống hàng ngày.

Khí đến từ đâu trong lòng trái đất?

Mặc dù con người đã biết sử dụng khí đốt từ hơn 200 năm trước nhưng vẫn chưa có sự đồng thuận về việc khí đốt đến từ đâu trong lòng trái đất.

Các lý thuyết chính về nguồn gốc

Có hai lý thuyết chính về nguồn gốc của nó:

• khoáng sản, giải thích sự hình thành khí bằng các quá trình khử khí hydrocarbon từ các lớp sâu hơn và dày đặc hơn của trái đất và sự phát triển của chúng đến các vùng có áp suất thấp hơn;
• hữu cơ (sinh học), theo đó khí là sản phẩm của quá trình phân hủy xác còn lại của sinh vật sống trong điều kiện áp suất, nhiệt độ cao và thiếu không khí.

Trong một mỏ, khí có thể ở dạng tích tụ riêng biệt, nắp khí, dung dịch trong dầu hoặc nước hoặc khí hydrat. Trong trường hợp thứ hai, trầm tích nằm trong đá xốp giữa các lớp đất sét kín khí. Thông thường, những loại đá như vậy là đá sa thạch, cacbonat và đá vôi được nén chặt.

Tỷ trọng của các mỏ khí thông thường chỉ là 0,8%. Tỷ lệ phần trăm lớn hơn một chút rơi vào khí đốt sâu, than đá và đá phiến - từ 1,4 đến 1,9%.Các loại trầm tích phổ biến nhất là khí hòa tan trong nước và hydrat - với tỷ lệ xấp xỉ bằng nhau (mỗi loại 46,9%)

Vì khí nhẹ hơn dầu và nước nặng hơn nên vị trí của các khoáng chất trong bể chứa luôn giống nhau: khí nằm trên dầu và nước đẩy toàn bộ mỏ dầu khí từ bên dưới lên.

Khí trong hệ tầng chịu áp lực. Tiền gửi càng sâu thì càng cao. Trung bình cứ 10m thì áp suất tăng thêm 0,1 MPa. Có những lớp có áp suất cao bất thường. Ví dụ, trong trầm tích Achimov của mỏ Urengoy, nó đạt tới 600 atm và cao hơn ở độ sâu 3800 đến 4500 m.

Sự thật và giả thuyết thú vị

Cách đây không lâu, người ta tin rằng trữ lượng dầu khí của thế giới sẽ cạn kiệt vào đầu thế kỷ 21. Ví dụ, nhà địa vật lý có uy tín người Mỹ Hubbert đã viết về điều này vào năm 1965.

Đến nay, nhiều nước vẫn tiếp tục tăng tốc độ sản xuất khí đốt. Không có dấu hiệu thực sự nào cho thấy trữ lượng hydrocarbon đang cạn kiệt

Theo Tiến sĩ Khoa học Địa chất và Khoáng vật học V.V. Polevanova, những quan niệm sai lầm như vậy là do lý thuyết về nguồn gốc hữu cơ của dầu khí vẫn được chấp nhận rộng rãi và thống trị trong tâm trí của hầu hết các nhà khoa học. Mặc dù vẫn D.I. Mendeleev đã chứng minh lý thuyết về nguồn gốc sâu vô cơ của dầu, sau đó điều này được Kudryavtsev và V.R. Larin.

Nhưng có nhiều sự thật phản đối nguồn gốc hữu cơ của hydrocarbon.

Dưới đây là một số trong số họ:

• trầm tích đã được phát hiện ở độ sâu lên tới 11 km, trong tầng hầm kết tinh, nơi mà sự tồn tại của chất hữu cơ thậm chí không thể tồn tại về mặt lý thuyết;
• với sự trợ giúp của lý thuyết hữu cơ, chỉ có thể giải thích được 10% trữ lượng hydrocarbon, 90% còn lại không thể giải thích được;
• Tàu thăm dò không gian Cassini được phát hiện vào năm 2000 trên mặt trăng Titan của Sao Thổ nguồn tài nguyên hydrocarbon khổng lồ ở dạng hồ, lớn hơn vài bậc so với trên Trái đất.

Giả thuyết về một Trái đất có nước ban đầu do Larin đưa ra giải thích nguồn gốc của hydrocarbon thông qua phản ứng của hydro với carbon ở độ sâu của trái đất và quá trình khử khí metan sau đó.

Theo đó, không có trầm tích cổ xưa nào thuộc kỷ Jura. Tất cả dầu và khí đốt có thể đã hình thành từ 1 đến 15 nghìn năm trước. Khi quá trình lựa chọn diễn ra, trữ lượng có thể dần dần được bổ sung, điều này đã được nhận thấy ở các mỏ dầu đã cạn kiệt và bị bỏ hoang từ lâu.

Việc khai thác và vận chuyển được thực hiện như thế nào?

Quá trình khai thác khí đốt tự nhiên bắt đầu bằng việc xây dựng giếng. Tùy thuộc vào sự xuất hiện của hệ tầng chứa khí, độ sâu của chúng có thể đạt tới 7 km. Khi quá trình khoan diễn ra, một đường ống (vỏ) được hạ xuống giếng. Để ngăn khí thoát ra qua khoảng trống giữa đường ống và thành giếng, người ta tiến hành bịt kín - lấp đầy khoảng trống bằng đất sét hoặc xi măng.

Khi kết thúc quá trình thi công, cần trục được tháo ra và cây Giáng sinh được lắp vào đầu ống vách. Nó là một cấu trúc của van cổng và được sử dụng để hút khí từ giếng.

Số lượng giếng có thể khá lớn.

Cây Giáng sinh có một số chức năng: nó giữ các ống bơm và máy nén lơ lửng trong giếng, điều khiển các chế độ vận hành và đo các thông số của các bộ phận bên ngoài và bên trong giếng.

Toàn bộ chu trình sản xuất khí dễ cháy tự nhiên xảy ra theo ba giai đoạn:

1. Phát triển mỏ khí. Kết quả của việc khoan là tạo ra sự chênh lệch áp suất. Do đó, khí di chuyển qua hệ tầng đến giếng.
2. Vận hành giếng khí. Ở giai đoạn này, khí đi qua vỏ.
3. Thu thập và chuẩn bị vận chuyển. Khí từ tất cả các cây Giáng sinh được cung cấp cho tổ hợp công nghệ đặc biệt của nhà máy xử lý khí. Họ làm khô khí, làm sạch khỏi các tạp chất có hại.

Ngay cả nồng độ nhỏ của hydro sunfua, hơi nước hoặc các hạt rắn cũng dẫn đến sự ăn mòn nhanh chóng, hình thành hydrat và hư hỏng cơ học đối với bề mặt bên trong của đường ống.

Việc chuẩn bị cuối cùng cho việc vận chuyển diễn ra tại các công trình đầu mối. Nó bao gồm xử lý sau và loại bỏ nước ngưng hydrocarbon, làm mát khí để giảm thể tích của nó.

Hình thức vận chuyển khí chính trên quãng đường dài là đường ống dẫn khí chính. Nó là một hệ thống các cấu trúc kỹ thuật phức tạp từ chính đường ống đến kho chứa dưới lòng đất.

Tại điểm cuối của đường ống có trạm phân phối khí (GDS). Tại đây, quá trình làm sạch bụi và tạp chất lỏng cuối cùng diễn ra, áp suất giảm đến mức mà người tiêu dùng yêu cầu, áp suất được ổn định, lượng khí tiêu thụ được tính đến và chất tạo mùi được thêm vào.

Một loại hình vận chuyển khí mêtan phổ biến khác là vận tải đường biển bằng tàu đặc biệt - tàu chở khí.

Những chiếc xe tăng hình cầu khổng lồ sẽ không để tàu chở khí bị nhầm lẫn với các loại tàu khác. Chúng là bình giữ nhiệt duy trì nhiệt độ cần thiết không đổi cho khí metan lỏng -163 °C

Việc chuyển đổi khí sang trạng thái lỏng được thực hiện tại các nhà máy LNG đặc biệt. Quá trình này xảy ra theo hai giai đoạn: đầu tiên, khí metan được làm lạnh đến -50°C, sau đó đến -163°C. Đồng thời, âm lượng của nó giảm 600 lần.

Xử lý và phạm vi áp dụng

Tính dễ cháy cao của khí tự nhiên quyết định công dụng chính của nó. Nó được sử dụng làm nhiên liệu trong các nhà máy, nhà máy, nhà máy nhiệt điện, nhà nồi hơi, cơ quan, tòa nhà dân cư, cơ sở nông nghiệp và nhiều nơi khác. Chúng tôi khuyên bạn nên đọc các quy tắc sử dụng gas trong cuộc sống hàng ngày.

Việc sản xuất và lọc dầu luôn đi kèm với việc giải phóng khí đi kèm. Trong một số trường hợp, khối lượng của nó có thể rất ấn tượng và lên tới 300 mét khối/m3 dầu thô.

Nhưng có một số lượng lớn các mỏ khí tự nhiên không được sử dụng mà được đốt lên. Ví dụ, trên khắp nước Nga, có tới 25% nguyên liệu thô hữu ích bị thất thoát theo cách này.

Một phần khí đồng hành được cung cấp cho các nhà máy xử lý khí. Từ đó thu được khí khô tinh khiết, được sử dụng để sưởi ấm. Một thành phần có giá trị khác là hỗn hợp các hydrocacbon nhẹ.

Sơ đồ thể hiện bức tranh tổng quát về quá trình xử lý khí sinh ra. Không thể đánh giá quá cao vai trò của sản phẩm cuối cùng đối với ngành hóa chất hiện đại

Sau đó nó được chia thành các phân số trong các cài đặt đặc biệt. Kết quả là các hydrocacbon như propan, butan, isobutane và pentane. Để giảm khối lượng, dễ dàng vận chuyển và lưu trữ chúng hóa lỏng.

Việc chuyển đổi ô tô sang sử dụng xăng sẽ nhanh chóng mang lại lợi ích và tiết kiệm chi phí đáng kể. Việc mở rộng mạng lưới trạm nạp gas góp phần gia tăng đội xe sử dụng LPG. Không chỉ người lái xe được hưởng lợi mà cả người đi bộ không phải hít khói độc hại

Propane và butan được sử dụng để sưởi ấm nhà cửa khí đóng chai hoặc cho ô tô. Nhưng phần lớn trong số đó được dùng để xử lý thêm trong sản xuất hóa dầu.

Bằng cách nung ở nhiệt độ cao (nhiệt phân), chúng được sử dụng để thu được nguyên liệu thô chính cho tất cả các vật liệu tổng hợp - monome: ethylene, propylene, butadiene. Dưới ảnh hưởng của chất xúc tác, chúng được kết hợp thành polyme. Đầu ra là các vật liệu có giá trị như cao su, PVC, polyetylen và nhiều loại khác.

Kết luận và video hữu ích về chủ đề này

Bộ phim tài liệu kể về khí một cách dễ hiểu và trực quan:

Bộ phim giáo dục này dành riêng cho việc vận chuyển khí chính:

Chúng ta vẫn chưa biết mọi thứ về khí đốt tự nhiên – nguồn gốc của nó vẫn còn nhiều điều bí ẩn. Chúng ta chỉ có thể hy vọng rằng nhiên liệu xanh thực sự là một món quà vô tận, đủ cho chúng ta và con cháu chúng ta.

Bạn vẫn còn thắc mắc sau khi đọc tài liệu trên? Hay bạn muốn bổ sung bài viết bằng những bình luận hữu ích, sự kiện hoặc hình ảnh thú vị? Viết nhận xét của bạn, đặt câu hỏi, tham gia thảo luận - mẫu phản hồi nằm bên dưới.