Sve o prirodnom plinu: sastav i svojstva, dobivanje i primjena prirodnog plina

Zahvaljujući visokoj energetskoj učinkovitosti i ekološkoj prihvatljivosti, prirodni plin, uz naftu, ima primarnu važnost. Široko se koristi kao gorivo, a također služi kao vrijedna sirovina za kemijsku industriju.

I iako je uporaba plina postala svakodnevna i uobičajena, on i dalje ostaje složenog sastava i prilično opasna tvar – da bi dospjela u plamenik plinskog uređaja, prolazi dug i složen put.

U članku ćemo obraditi osnovna pitanja vezana uz prirodni zapaljivi plin – govorit ćemo o njegovom sastavu i svojstvima, opisati faze vađenja, transporta i prerade plina, područja njegove primjene. Razmotrit ćemo suvremena shvaćanja o podrijetlu zaliha ugljikovodika, zanimljive činjenice i hipoteze.

Što je prirodni zapaljivi plin?

Postoji mišljenje da plin leži ispod zemlje u šupljinama i da se lako izvlači odatle, za što je dovoljno izbušiti bušotinu. No u stvarnosti je sve mnogo složenije: plin se može nalaziti unutar porozne stijene, može biti otopljen u vodi, tekućim ugljikovodicima, nafti.

Da bismo razumjeli zašto se to događa, dovoljno je prisjetiti se da riječ 'plin' dolazi od grčke riječi 'kaos', koja odražava princip ponašanja tvari. U plinovitom stanju molekule se kreću kaotično, težeći da ravnomjerno ispune sav mogući volumen. Zbog toga su sposobne prodirati i otapati se u drugim tvarima, uključujući i gušće tekućine i minerale. Visoki tlak i temperatura značajno pojačavaju proces difuzije. Često se upravo u obliku takvog 'koktela' prirodni plin nalazi u podzemlju.

No za početak ćemo govoriti o tome od čega se plin sastoji i što on predstavlja – razmotrit ćemo kemijski sastav i fizikalna svojstva prirodnog zapaljivog plina.

Značajke kemijskog sastava

Plin koji se vadi iz podzemlja, a koji se naziva 'prirodnim', jest smjesa različitih plinova.

Po sastavu se dijeli u tri skupine komponenta:

• zapaljive – ugljikovodici;
• nezapaljive (balasti) – dušik, ugljični dioksid, kisik, helij, vodena para;
• štetne primjese – sumporovodik i merkaptani.

Prva i glavna skupina predstavlja niz ugljikovodika metanskog niza (homologa) s brojem ugljikovih atoma od 1 do 5. Najveći postotak u smjesi čini metan (od 70 do 98 %), koji ima jedan ugljikov atom. Sadržaj ostalih plinova (etan, propan, butan, pentan) kreće se od jedinica do desetinki postotka.

Za plin koji se dobiva iz ležišta karakteristična je visoka koncentracija metana. U pratećem plinu, koji se izvlači iz nafte, udio metana je mnogo niži: 30 – 60%, a homologa viši: 10 – 20 %

Osim ugljikovodika u smjesi mogu biti prisutne nezapaljive tvari u malim količinama: sumporovodik, dušik, ugljični dioksid, ugljikov monoksid, vodik i drugi. No, ovisno o ležištu, udjeli ugljikovodika, kao i sastav ostalih plinova, mogu značajno varirati.

Fizikalna svojstva plina

Po fizičkim svojstvima metan CH₄ nema boju ni miris, vrlo je zapaljiv. Pri koncentracijama u zraku većim od 4,5% – eksplozivan. To njegovo svojstvo, u kombinaciji s nedostatkom mirisa, predstavlja veliku prijetnju i problem. Posebno u rudnicima, jer metan apsorbira ugljen.

O uzrocima eksplozije plina u kućanstvima pisali smo u ovom materijalu.

Kako bi plin dobio miris, radi otkrivanja curenja, prije transporta mu se dodaju posebne tvari neugodnog mirisa – odoranti. Najčešće su to spojevi koji sadrže sumpor – etantiol ili etilmerkaptan. Udio primjese odabire se tako da se osjeti curenje pri koncentraciji plina od 1%.

Glavna prednost plavog goriva je visoka specifična toplina izgaranja – 39 MJ/kg. Pritom se oslobađaju bezopasne tvari: voda i ugljični dioksid. To je također važan čimbenik koji omogućuje primjenu metana u kućanstvima.

Odakle dolazi plin u zemljinim dubinama?

Iako su ljudi naučili koristiti plin prije više od 200 godina, do danas ne postoji jedinstven stav o tome odakle potječe plin u podzemlju.

Osnovne teorije podrijetla

Postoje dvije osnovne teorije njegova nastanka:

• mineralna, koja objašnjava nastanak plina procesima degazacije ugljikovodika iz dubljih i gušćih slojeva zemlje i njihovim podizanjem u zone s nižim tlakom;
• organska (biogena), prema kojoj je plin proizvod razgradnje ostataka živih organizama u uvjetima povišenog tlaka, temperature i bez prisutnosti zraka.

U ležištu plin može biti u obliku zasebne nakupine, plinske kape, otopine u nafti ili vodi, ili plinskih hidrata. U posljednjem slučaju nalazišta su u poroznim stijenama između plinonepropusnih slojeva gline. Najčešće su takve stijene zbijeni pješčenjak, karbonati, vapnenci.

Udio običnih plinskih ležišta iznosi samo 0,8%. Nešto veći postotak otpada na dubinski, ugljeni i škriljevni plin – od 1,4 do 1,9%. Najzastupljenije vrste ležišta su vodotopljivi plinovi i hidrati – približno u jednakim omjerima (po 46,9%)

Budući da je plin lakši od nafte, a voda teža, položaj fosilnih goriva u ležištu uvijek je isti: plin je iznad nafte, a voda podupire odozdo cijelo naftno-plinsko ležište.

Plin u ležištu nalazi se pod tlakom. Što su dublje naslage, to je tlak viši. U prosjeku, na svakih 10 metara, porast tlaka iznosi 0,1 MPa. Postoje ležišta s anomalno visokim tlakom. Na primjer, na Ačimovskim naslagama Urengojskog ležišta on doseže 600 atmosfera i više pri dubini od 3800 do 4500 m.

Zanimljive činjenice i hipoteze

Donedavno se smatralo da bi svjetske rezerve nafte i plina trebale biti iscrpljene već početkom 21. stoljeća. Na primjer, o tome je 1965. godine pisao autoritativni američki geofizičar Habbert.

Do danas mnoge zemlje nastavljaju povećavati stope proizvodnje plina. Ne primjećuju se nikakvi stvarni znakovi da rezerve ugljikovodika ponestaju.

Prema mišljenju doktora geološko-mineraloških znanosti V.V. Polevanova, slične zablude uzrokovane su činjenicom da je teorija organskog podrijetla nafte i plina još uvijek općeprihvaćena i dominira umovima većine znanstvenika. Iako je D.I. Mendeljejev već obrazložio teoriju o anorganskom dubinskom podrijetlu nafte, a zatim su to dokazali Kudrjavcev i V.R. Larin.

Ali protiv organskog podrijetla ugljikovodika govore mnoge činjenice.

Evo neki od njih:

• otkrivena su ležišta na dubinama do 11 km, u kristalnim temeljima, gdje postojanje organskih tvari ne može biti čak ni teoretski;
• pomoću organske teorije može se objasniti samo 10% rezervi ugljikovodika, preostalih 90% je neobjašnjivo;
• svemirska sonda «Cassini» otkrila je 2000. godine na Saturnovom mjesecu Titanu ogromne resurse ugljikovodika u obliku jezera, za nekoliko redova veličine veće od zemaljskih.

Hipoteza koju je iznio Larin o izvorno hidridnoj Zemlji objašnjava podrijetlo ugljikovodika reakcijom vodika s ugljikom u dubinama Zemlje i naknadnom degazacijom metana.

Prema njoj, ne postoje nikakve drevne naslage iz jurskog razdoblja. Sva nafta i plin mogli su nastati u rasponu od 1 do 15 tisuća godina. Kako se crpe, rezerve se mogu postupno obnavljati, što je primijećeno na davno iscrpljenim i napuštenim naftnim ležištima.

Kako se odvija vađenje i transport?

Proces proizvodnje prirodnog zapaljivog plina počinje izgradnjom bušotina. Ovisno o položaju plinonosnog sloja, njihova dubina može doseći 7 km. Tijekom bušenja u bušotinu se spušta cijev (zaštitna kolona). Kako bi se spriječio izlazak plina kroz prostor između cijevi i stijenki bušotine, izvodi se tamponiranje – popunjavanje zazora glinom ili cementom.

Po završetku izgradnje, bušaći toranj se uklanja i na glavu obložne kolone postavlja se fontanska armatura. Ona predstavlja konstrukciju od zasuna i ventila, služi za izvlačenje plina iz bušotine.

Broj bušotina može biti prilično velik.

Fontanska armatura ima nekoliko funkcija: drži crpno-kompresorske cijevi u visećem položaju u bušotini, upravlja radnim režimima te mjeri parametre vanjskog i unutarnjeg dijela bušotine.

Cijeli ciklus proizvodnje prirodnog zapaljivog plina odvija se u tri faze:

1. Razvoj plinskog ležišta. Kao rezultat bušenja stvara se razlika tlakova. Zbog toga se plin kreće po sloju prema bušotinama.
2. Eksploatacija plinskih bušotina. U ovoj fazi plin putuje kroz obložnu kolonu.
3. Skupljanje i priprema za transport. Plin iz svih fontanskih armatura dolazi na posebne tehnološke komplekse UKPG. Na njima se odvija sušenje plina, pročišćavanje od štetnih primjesa.

Čak i neznatne koncentracije sumporovodika, vodene pare ili krutih čestica dovode do brze korozije, stvaranja hidrata i mehaničkih oštećenja unutarnje površine cjevovoda.

Konačna priprema za transport odvija se na glavnim postrojenjima. Ona uključuje dodatno pročišćavanje i uklanjanje ugljikovodičnog kondenzata, hlađenje plina radi smanjenja njegovog volumena.

Glavni način transporta plina na velike udaljenosti je magistralni plinovod. On predstavlja sustav složenih inženjerskih objekata od samih cjevovoda do podzemnih spremišta.

Na krajnjoj točki magistrale nalaze se plinske distribucijske stanice (GDS). Ovdje se odvija završno pročišćavanje od primjesa prašine i tekućina, snižavanje tlaka na razinu potrebnu potrošačima, njegova stabilizacija, obračun potrošnje plina i dodavanje odoranta.

Drugi uobičajeni način transporta metana su morski prijevozi posebnim brodovima – plinskim tankerima.

Ogromni sferični spremnici neće dopustiti da se plinski tanker zamijeni s drugim vrstama brodova. Oni su poput termosica koje održavaju stalnu potrebnu temperaturu za tekući metan od -163 °C.

Pretvaranje plina u tekuće stanje provodi se u posebnim pogonima za UPP (ukapljeni prirodni plin). Proces se odvija u dvije faze: najprije se metan hladi na -50 °C, a zatim na -163 °C. Pritom se njegov volumen smanjuje 600 puta.

Prerada i područje primjene

Visoka zapaljivost prirodnog plina određuje njegovu osnovnu primjenu. Koristi se kao gorivo u tvornicama, pogonima, termoelektranama, kotlovnicama, ustanovama, stambenim zgradama, poljoprivrednim objektima i mnogim drugim. Preporučujemo da se upoznate s pravilima korištenja plina u kućanstvu.

Vađenje i prerada nafte uvijek je popraćeno ispuštanjem pratećeg plina. U nekim slučajevima njegove količine mogu biti impresivne i iznositi do 300 kubičnih metara po jednom kubičnom metru sirove nafte.

No postoji velik broj nalazišta gdje se prirodni prateći plin ne koristi, već se spaljuje u bakljama. Primjerice, u cijeloj Rusiji na taj se način gubi do 25% korisne sirovine.

Dio pratećeg plina odlazi u pogone za preradu plina. Od njega se dobiva pročišćeni suhi plin koji se koristi za grijanje. Druga vrijedna komponenta je smjesa lakih ugljikovodika.

Shema prikazuje opću sliku postupka prerade izvađenog plina. Ulogu konačnih proizvoda za suvremenu kemijsku industriju teško je precijeniti.

Zatim se ona razdvaja na frakcije u posebnim postrojenjima. Kao rezultat dobivaju se ugljikovodici poput propana, butana, izobutana, pentana. Kako bi se smanjio volumen, olakšao prijevoz i skladištenje, oni se ukapljuju.

Predorudžba automobila na plin brzo se isplati i donosi osjetnu uštedu novca. Širenje mreže plinskih punionica doprinosi povećanju voznog parka vozila s plinskim sustavom. Ne profitiraju samo vozači, već i pješaci koji ne moraju udisati štetne ispušne plinove.

Propan i butan koriste se za grijanje domova plinom u bocama ili za automobile. No veći dio odlazi na daljnju preradu u petrokemijska postrojenja.

Visokotemperaturnim zagrijavanjem (pirolizom) od njih se dobiva glavna sirovina za sve sintetičke materijale – monomeri: etilen, propilen, butadien. Pod djelovanjem katalizatora oni se povezuju u polimere. Na izlazu se dobivaju iznimno vrijedni materijali poput gume, PVC-a, polietilena i mnogih drugih.

Zaključci i koristan video na temu

U dokumentarnom filmu pristupačno i slikovito je prikazan plin:

Ovaj obrazovni film posvećen je magistralnom transportu plina:

Nama još uvijek nije sve poznato o prirodnom plinu – njegovo podrijetlo i dalje skriva mnogo zagonetki. Ostaje se nadati da je plavo gorivo doista neiscrpan dar kojeg će biti dovoljno i nama i našim potomcima.

Imate li pitanja nakon čitanja gore izloženog materijala? Ili želite dopuniti članak korisnim napomenama, zanimljivim činjenicama ili fotografijama? Pišite svoje komentare, postavljajte pitanja, sudjelujte u raspravi – obrazac za povratne informacije nalazi se ispod.