Kõik maagaasist: koostis ja omadused, maagaasi kaevandamine ja kasutamine

Tänu kõrgele energiaefektiivsusele ja keskkonnasõbralikkusele on maagaas koos naftaga esmatähtis. Seda kasutatakse laialdaselt kütusena ning see on väärtuslik tooraine keemiatööstuse jaoks.

Ja kuigi gaasi kasutamine on muutunud igapäevaseks ja harjumuspäraseks, on see siiski koostiselt keeruline ja üsna ohtlik aine – et jõuda gaasiseadme põletisse, läbib see pika ja keerulise tee.

Artiklis käsitleme peamisi loodusliku põlevgaasiga seotud küsimusi – räägime selle koostisest ja omadustest, kirjeldame gaasi kaevandamise, transpordi ja töötlemise etappe, selle kasutusvaldkondi. Vaatleme tänapäevaseid arusaamu süsivesinike varude päritolust, huvitavaid fakte ja hüpoteese.

Mis on looduslik põlevgaas?

Levinud arvamuse kohaselt asub gaas maa all tühimikes ja on sealt kergesti eraldatav, milleks piisab puuraugu rajamisest. Kuid tegelikkuses on kõik palju keerulisem: gaas võib paikneda poorses kivimis, olla lahustunud vees, vedelates süsivesinikes, naftas.

Et mõista, miks see nii on, piisab meenutamisest, et sõna «gaas» pärineb kreekakeelsest sõnast «kaos», mis peegeldab aine käitumispõhimõtet. Gaasilises olekus liiguvad molekulid kaootiliselt, püüdes ühtlaselt täita kogu võimalikku ruumi. Tänu sellele on nad võimelised tungima teistesse ainetesse ja neis lahustuma, sealhulgas tihedamates vedelikes ja mineraalides. Kõrge rõhk ja temperatuur suurendavad oluliselt difusiooniprotsessi. Sageli just sellise «kokteili» kujul sisaldub maagaas maapõues.

Kuid alustuseks räägime sellest, millest gaas koosneb ja mida see endast kujutab – vaatleme loodusliku põlevgaasi keemilist koostist ja füüsikalisi omadusi.

Keemilise koostise iseärasused

Maapõuest kaevandatavat gaasi, mida nimetatakse «looduslikuks», on erinevate gaaside segu.

Koostise järgi jaguneb see kolme komponentide rühma:

• põlevad – süsivesinikud;
• mittesüttivad (ballastid) – lämmastik, süsihappegaas, hapnik, heelium, veeaur;
• kahjulikud lisandid – vesiniksulfiid ja merkaptaanid.

Esimene ja peamine rühm on metaanirühma (homoloogid) süsivesinike kogum, mille süsinikuaatomite arv on 1 kuni 5. Suurim protsent segus on metaanil (70–98 %), millel on üks süsinikuaatom. Ülejäänud gaaside (etaan, propaan, butaan, pentaan) sisaldus kõigub ühikutest kuni kümnendikprotsendini.

Maardlatest toodetud gaasile on iseloomulik kõrge metaanikontsentratsioon. Naftast eraldatavas kaasnevas gaasis on metaaniosa palju madalam: 30–60% ja homoloogide osa kõrgem: 10–20%.

Lisaks süsivesinikele võib segus väikestes kogustes esineda mittesüttivaid aineid: vesiniksulfiid, lämmastik, süsinikdioksiid, süsinikmonooksiid, vesinik ja teised. Kuid sõltuvalt maardlast võivad nii süsivesinike proportsioonid kui ka teiste gaaside koostis oluliselt kõikuda.

Gaasi füüsikalised omadused

Füüsikaliste omaduste poolest on metaan CH₄ värvitu ja lõhnatu, väga tuleohtlik. Kontsentratsioonidel üle 4,5% õhus – plahvatusohtlik. See omadus koos lõhnatusega kujutab endast suurt ohtu ja probleemi. Eriti kaevandustes, kuna metaan imendub söesse.

Gaasi plahvatuse põhjustest kodutingimustes oleme kirjutanud selles materjalis.

Et anda gaasile lõhna lekete tuvastamiseks, lisatakse sellele enne transporti spetsiaalseid ebameeldiva lõhnaga aineid – odorante. Kõige sagedamini on need väävlit sisaldavad ühendid – etaanitiool või etüülmerkaptaan. Lisandite osakaal valitakse nii, et leke oleks tuntav gaasi kontsentratsiooni korral 1%.

Sinise kütuse peamine eelis on kõrge eripõlemissoojus – 39 MJ/kg. Selle juures eraldub kahjutuid aineid: vesi ja süsinikdioksiid. See on samuti oluline tegur, mis võimaldab metaanil leida kasutust kodumajapidamises.

Kust pärineb gaas maapõues?

Kuigi inimesed on õppinud gaasi kasutama enam kui 200 aastat tagasi, ei ole tänapäevani ühtset arvamust, kust pärineb maapõue gaas.

Põhilised tekketeooriad

Tema päritolu kohta on kaks peamist teooriat:

• mineraalne, mis seletab gaasi teket süsivesinike degaseerimisprotsessidega maa sügavamatest ja tihedamatest kihtidest ning nende tõusuga madalama rõhuga piirkondadesse;
• orgaaniline (biogeenne), mille kohaselt gaas on elusorganismide jäänuste lagunemise produkt kõrgenenud rõhu, temperatuuri ja õhu puudumise tingimustes.

Maardlas võib gaas esineda eraldi kogumina, gaasikübara, nafta või vee lahuse või gaasihüdraatidena. Viimasel juhul asuvad lasundid poorsetes kivimites gaasiläbilaskmatute savikihtide vahel. Kõige sagedamini on nendeks kivimiteks tihenenud liivakivi, karbonaadid, lubjakivid.

Tavaliste gaasimaardlate osakaal on vaid 0,8%. Veidi suurem protsent langeb süvavee-, kivisöe- ja põlevkivigaasile – 1,4 kuni 1,9%. Kõige levinumad lasundiliigid on vees lahustunud gaasid ja hüdraadid – ligikaudu võrdsetes osades (mõlemad 46,9%).

Kuna gaas on kergem kui nafta ja vesi raskem, on fossiilide asend kihis alati sama: gaas nafta peal ja vesi toetab alt kogu nafta-gaasimaardlat.

Gaas kihis on surve all. Mida sügavamad on lasundid, seda kõrgem on surve. Keskmiselt suureneb rõhk iga 10 meetri kohta 0,1 MPa. On kihte, millel on anomaalselt kõrge rõhk. Näiteks Urengoi maardla Atšimovi setetes ulatub see 600 atmosfäärini ja kõrgemale, kui lasundi sügavus on 3800–4500 m.

Huvitavad faktid ja hüpoteesid

Veel mitte nii ammu arvati, et maailma nafta- ja gaasivarud peaksid ammenduma juba 21. sajandi alguses. Näiteks kirjutas sellest 1965. aastal autoriteetne Ameerika geofüüsik Hubbert.

Siiani jätkavad paljud riigid gaasitootmise tempode suurendamist. Ei ole märgata mingeid reaalseid märke, et süsivesinike varud lõppevad.

Geoloogia-mineraloogiadoktor V.V. Polevanovi arvates on sellised eksiarvamused põhjustatud sellest, et nafta ja gaasi orgaanilise päritolu teooria on siiani üldtunnustatud ja valdab enamiku teadlaste meeli. Kuigi juba D.I. Mendelejev põhjendas nafta anorgaanilise süvapäritolu teooriat ning hiljem tõestasid seda Kudrjavtsev ja V.R. Larin.

Kuid süsivesinike orgaanilise päritolu vastu räägivad paljud faktid.

Siin on mõned neist:

• Avastatud on maardlad kuni 11 km sügavusel, kristallilistes alusmüürides, kus orgaanilise aine olemasolu ei saa olla isegi teoreetiliselt;
• Orgaanilise teooria abil saab selgitada vaid 10% süsivesinike varudest, ülejäänud 90% on seletamatud;
• Kosmosesond «Cassini» avastas 2000. aastal Saturni kuul Titanil hiiglaslikud süsivesinikuressursid järvede kujul, mis on mitu suurusjärku suuremad kui maapealsed.

Larini esitatud hüpotees algselt hüdriidsest Maast selgitab süsivesinike tekkimist vesiniku ja süsiniku reaktsiooni teel Maa sügavustes ja sellele järgneva metaani degaseerimisega.

Selle kohaselt pole mingeid vanu juuraperioodi lasundeid. Kogu nafta ja gaas võisid tekkida 1 kuni 15 tuhande aasta jooksul tagasi. Varude ammutamise käigus võivad need järk-järgult täieneda, mida on täheldatud ammu välja töötatud ja hüljatud naftamaardlail.

Kuidas toimub kaevandamine ja transport?

Loodusliku põlevgaasi tootmisprotsess algab puuraukude ehitamisega. Sõltuvalt gaasikihi lasundist võib nende sügavus ulatuda 7 km-ni. Puurimise käigus langetatakse puurauku toru (manteltoru). Gaasi pääsemise vältimiseks toru ja puuraugu seinte vahelisest ruumist tehakse tamponaaž – pilu täitmine savi või tsemendiga.

Pärast ehituse lõppu eemaldatakse puurimistorn ja manteltoru peale paigaldatakse purskkaevuarmatuur. See koosneb sulguritest ja klappidest ning selle eesmärk on gaasi väljavõtmine kaevust.

Kaevude arv võib olla üsna suur.

Purskkaevuarmatuurile on pandud mitu funktsiooni: see hoiab kaevus rippuvas olekus pump-kompressortorusid, juhib töörežiime, mõõdab kaevu välis- ja siseosa parameetreid.

Kogu loodusliku põlevgaasi tootmise tsükkel toimub kolmes etapis:

1. Gaasimaardla arendamine. Puurimise tulemusena tekib rõhu erinevus. Selle tõttu liigub gaas mööda kihti kaevude poole.
2. Gaasikaevude käitamine. Selles etapis läbib gaas teekonna mööda manteltoru.
3. Kogumine ja ettevalmistus transportimiseks. Gaas kõigist purskkaevuarmatuuridest suunatakse spetsiaalsetesse tehnoloogilistesse kompleksidesse (UKPG). Nendes toimub gaasi kuivatamine, puhastamine kahjulikest lisanditest.

Isegi väikesed vesiniksulfiidi, veeauru või tahkete osakeste kontsentratsioonid põhjustavad kiiret korrosiooni, hüdraadi teket ja mehaanilisi kahjustusi torujuhtme sisepinnal.

Lõplik ettevalmistus transportimiseks toimub peaehitistel. See hõlmab järelpuhastust ja süsivesinike kondensaadi eemaldamist, gaasi jahutamist mahu vähendamiseks.

Peamine gaasi transportimise viis pikkade vahemaade taha on magistraaltorustik. See kujutab endast keerukate insenerirajatiste süsteemi, alates torujuhtmetest endist kuni maa-aluste hoidlateni.

Magistraali lõpp-punktis asuvad gaasijaotusjaamad (GRS). Siin toimub viimane puhastus tolmu ja vedelike lisanditest, rõhu alandamine tarbijatele vajalikule tasemele, selle stabiliseerimine, gaasikulu arvestus ja odorandi lisamine.

Teine levinud metaanitranspordi liik on meritsi transport spetsiaalsete laevadega – gaasilaevadega.

Hiiglaslikud keraakujulised mahutid ei lase gaasilaeva segi ajada teiste laevatüüpidega. Need on termosed, mis hoiavad vedela metaani jaoks püsivat vajalikku temperatuuri -163 °C.

Gaasi muutmine vedelasse olekusse toimub spetsiaalsetes LNG-tehastes. Protsess toimub kahes etapis: esmalt jahutatakse metaan -50 °C-ni ja seejärel -163 °C-ni. Seejuures väheneb selle maht 600 korda.

Töötlemine ja kasutusvaldkonnad

Loodusliku gaasi kõrge põlevus määrab selle peamise kasutuse. Seda kasutatakse kütusena tehastes, vabrikutes, soojuselektrijaamades, katlamajades, asutustes, elamutes, põllumajandusobjektidel ja paljudes muudes kohtades. Soovitame tutvuda gaasi kasutamise reeglitega koduses majapidamises.

Nafta tootmine ja töötlemine käivad alati kaasneva gaasi eraldumisega. Mõnel juhul võivad selle mahud olla märkimisväärsed, ulatudes kuni 300 kuupmeetrini ühe toornafta kuubiku kohta.

Kuid on palju leiukohti, kus looduslikku kaasnevat gaasi ei kasutata, vaid põletatakse põletites. Näiteks kogu Venemaal läheb sel viisil kaotsi kuni 25% kasulikust toormest.

Osa kaasnevast gaasist suunatakse gaasitöötlemistehastesse. Sellest saadakse puhastatud kuiv gaas, mida kasutatakse kütmiseks. Teine väärtuslik koostisosa on kergete süsivesinike segu.

Skeemil on kujutatud toodetava gaasi töötlemisprotsessi üldpilt. Lõpptootjate rolli tänapäeva keemiatööstuses on raske ülehinnata.

Edasi eraldatakse see fraktsioonideks spetsiaalsetes seadmetes. Tulemuseks saadakse sellised süsivesinikud nagu propaan, butaan, isobutaan, pentaan. Et vähendada mahtu, hõlbustada transporti ja ladustamist, need veeldatakse.

Autode ümberehitamine gaasile tasub end kiiresti ära ja annab märgatavat kokkuhoidu. Gaasitanklate võrgu laienemine soodustab gaasiseadmega autode arvu suurenemist. Võitjad pole mitte ainult juhid, vaid ka jalakäijad, kes ei pea hingama kahjulikke heitgaase.

Propaani ja butaani kasutatakse kodude kütmiseks balloongaasiga või autodele. Kuid suurem osa suunatakse edasiseks töötlemiseks naftakeemiatootmisse.

Kõrge temperatuuriga kuumutamise (pürolüüsi) teel saadakse neist peamine toormaterjal kõigi sünteetiliste materjalide jaoks – monomeerid: etüleen, propüleen, butadieen. Katalüsaatorite mõjul ühinevad nad polümeerideks. Väljundina saadakse sellised väärtuslikud materjalid nagu kumm, PVC, polüetüleen ja paljud teised.

Järeldused ja kasulik video teemal

Dokumentaalfilmis on gaasist arusaadavalt ja selgelt räägitud:

See õppefilm on pühendatud gaasi magistraaltranspordile:

Meile pole looduslikust gaasist veel kaugeltki kõik teada – selle päritolu peidab endiselt palju saladusi. Jääb üle loota, et sinine kütus on tõeliselt ammendamatu kingitus, millest jätkub nii meile kui ka meie järeltulijatele.

Kas Teil on pärast eespool esitatud materjali lugemist küsimusi? Või soovite täiendada artiklit kasulike märkuste, huvitavate faktide või fotodega? Kirjutage oma kommentaarid, esitage küsimusi, osalege arutelus – tagasiside vorm asub allpool.