Природный газ: от добычи к распределению — подробный обзор

Природа и значение

Природный газ — смесь горючих углеводородов, образованная термическим разложением органического вещества в недрах. Часто находится рядом с нефтью, но существуют большие месторождения, где нефти нет. Его чистое, эффективное сгорание делает его краеугольным камнем бытового отопления, готовки и широкого спектра промышленных процессов.

История освоения

Природный газ очаровывал человечество тысячелетиями. Ранние цивилизации наблюдали светящиеся просачивания из скал и источников, иногда поджигаемые молниями, порождая легенды об «огне из земли». Около 900 г. до н.э. китайские инженеры добывали газ из скважин, используя для испарения морской воды для производства соли. К I веку н.э. они развили продвинутые буровые техники, достигая глубин 1460 м (4800 футов) с бамбуково-металлическими бурами.

Римляне тоже знали о природном газе; Юлий Цезарь якобы видел «горящий источник» под Гренаблем, Франция. В ранней Руси храмы строили вокруг вечных пламён, питаемых природным газом.

В США Уильям Харт пробурил первую намеренную газовую скважину в 1821 году на ручье Канадай, штат Нью-Йорк, используя полые бревна для трубопровода газа для освещения. Fredonia Gas, Light, and Waterworks Company стала первой американской газовой компанией в 1865 году. 40-километровый трубопровод (25 миль) от газового месторождения к Рочестеру последовал в 1872 году, тоже на полых бревнах. Бунзеновская горелка (1885) стимулировала интерес к газу для отопления и готовки. К 1891 году высокодавленное месторождение в центральной Индиане снабжало 192-километровый (120-мильный) трубопровод до Чикаго.

Ранние усилия ограничивались неадекватными сетями распределения, поэтому газ оставался локальным товаром. В 1910-х нефтяные компании осознали финансовые потери от факелирования газа и начали прокладывать трубопроводы к крупным городам. Только после Второй мировой войны возникла общенациональная сеть, сделав природный газ конкурентоспособной альтернативой электричеству и угля.

Сегодня США эксплуатируют более 600 перерабатывающих заводов и 480 000 км (300 000 миль) магистральных трубопроводов. Значительные запасы также существуют в бывшем СССР, Канаде, Китае и Персидском заливе.

Сырой состав

Сырой природный газ преимущественно метан, сопровождаемый этаном, пропаном, бутаном и другими углеводородами. Может также содержать водяной пар, сероводород, углекислый газ, азот и следы гелия.

Во время переработки многие компоненты удаляют или разделяют для продажи. Этан, пропан, бутан, сероводород и гелий часто изолируют; водяной пар, CO₂ и азот удаляют для улучшения качества и облегчения транспорта.

Итоговый продукт — в основном метан и этан, с добавками вроде меркаптана для детекции утечек по запаху.

Производственный процесс

Добыча

• 1 Некоторые пласты обладают достаточным давлением для естественного течения газа к поверхности; большинство скважин требуют насоса. Наиболее распространённый насос имеет длинный шток, прикреплённый к поршню, приводимый в движение качающейся балкой — конструкция, часто называемая «конным головой».
• 2 На поверхности газ отделяют от нефти (если присутствует) и направляют к центральному перерабатывающему заводу. Сотни скважин могут питать одно предприятие.

Переработка

• 3 В США ~75% природного газа поступает из нефтесвободных пластов, упрощая переработку. Сырой газ обычно содержит грязь, песок и водяной пар. Фильтры или ловушки удаляют твёрдые частицы, а осушительные колонны (десиканты: аллюмина, силикагель) или жидкие десиканты (гликоли) сушат поток перед дальнейшей обработкой или прямым вводом в транспортные трубопроводы.
• 4 Тяжёлые углеводороды — пропан, бутан — улавливают через холодильную абсорбционную колонну с нефтеподобным маслом. Масло конденсируется и удерживает ~85% пропана и почти весь бутан; более лёгкие газы выходят из колонны. Масло затем ректифицируют, и углеводороды разделяют в фракционирующей колонне.
• 5 Поток газа теперь содержит метан, этан, небольшое количество пропана и следы CO₂, H₂S, N₂ и др. Этан может быть дополнительно отделен криогеническими циклами сжатия/расширения, а оставшийся водяной пар снижают дополнительными этапами обезвоживания.
• 6 При высоком CO₂ или H₂S химическая очистная колонну вводит моноэтаноламин, реагирующий с кислотами, затем сливаемый для переработки.
• 7 Азот, негорючий разбавитель, удаляют низкотемпературной ректификацией после удаления CO₂ и H₂S — общий процесс «апгрейдинга», дающий чистый, высокоэнергетичный газ.
• 8 Извлечение гелия следует за удалением азота через сложный цикл криогенической ректификации и очистки, делая природный газ основным источником гелия в США.

Транспортировка

• 9 Переработанный газ одоризуют меркаптаном для детекции утечек, затем направляют к компрессорной станции, где давление поднимают до 1,38–10,35 МПа (200–1500 psi). Подземные магистральные трубопроводы диаметром 51–107 см (20–42 дюйма) на тысячи километров держат газ в движении, с компрессорными станциями каждые ~160 км (100 миль) для восстановления давления, потерянного на трении.
• 10 Ближе к пункту назначения газ могут вкачивать в подземное хранилище (истощённые пласты, водоносные горизонты, соляные каверны) для балансировки сезонного спроса.

Распределение

• 11 Из хранилища газ маршрутизируют к локальным распределительным трубопроводам при давлении до 6,9 МПа (1000 psi).
• 12 Давление понижают ниже 410 кПа (60 psi) для городской сети, затем ещё до ~1,7 кПа (0,25 psi) перед входом в отдельные дома или предприятия.

Контроль качества и безопасность

Природный газ высоко горюч и может взорваться при внезапном зажигании большого объёма. Смертельные инциденты случались от внезапных утечек и продолжительного удушья. Для снижения рисков добавляют одоризаторы (меркаптан), а ярко-жёлтая предупреждающая лента закапывают в несколько футов над высоконапорными трубопроводами. Наземные знаки дополнительно информируют публику о местоположении трубопроводов.

Будущее

Низкий профиль выбросов делает природный газ перспективным альтернативным топливом для автотранспорта; сжатый природный газ (CNG) флоты уже эксплуатируются во всем мире. Более того, многие высокотемпературные промышленные процессы — сталь, стекло, цемент, химия, алюминий, пищевые продукты — переходят на природный газ для сокращения загрязнения воздуха.