Переработка природного газа: основные этапы, способы, схема

Что такое природный горючий газ?

Бытует мнение, что газ залегает под землей в пустотах и легко оттуда извлекается, для чего достаточно пробурить скважину. Но в реальности все намного сложнее: газ может находиться внутри пористой породы, может быть растворен в воде, жидких углеводородах, нефти.

Чтобы понять, почему это происходит, достаточно вспомнить, что слово «газ» происходит от греческого «хаос», которое отражает принцип поведения вещества. В газообразном состоянии молекулы движутся хаотически, стремясь равномерно заполнить весь возможный объем. За счет этого они способны проникать и растворяться в других веществах, в том числе и более плотных жидкостях и минералах. Высокое давление и температура значительно усиливают процесс диффузии. Часто именно в виде такого «коктейля» природный газ содержится в недрах.

Но для начала поговорим о том, из чего состоит газ и что он из себя представляет – рассмотрим химический состав и физические свойства природного горючего газа.

Физические свойства газа

По физическим свойствам метан СН4 не имеет цвета и запаха, очень горюч. При концентрациях в воздухе более 4,5% – взрывоопасен. Это его свойство, в сочетании с отсутствием запаха, представляет большую угрозу и проблему. Особенно в шахтах, так как метан абсорбируется углем.

Для придания газу запаха, с целью обнаружения его утечек, перед транспортировкой в него добавляют специальные вещества с неприятным запахом – одоранты. Чаще всего, это серосодержащие соединения – этантиол или этилмеркаптан. Долю примеси подбирают таким образом, чтобы была ощутима утечка при концентрации газа в 1%.

Главным преимуществом голубого топлива является высокая удельная теплота сгорания – 39 МДж/кг. При этом выделяются безвредные вещества: вода и углекислый газ. Это также немаловажный фактор, позволяющий применять метан в быту

Откуда берется газ в недрах земли?

Хотя люди научились применять газ более 200 лет назад, до настоящего времени нет единого мнения, откуда берется газ в недрах земли.

Подготовка газа к транспортировке

Несмотря на то, что на некоторых месторождениях газ отличается исключительно качественным составом, в общем случае природный газ – это не готовый продукт. Помимо целевого содержания компонентов (при этом целевые компоненты могут различаться в зависимости от конечного пользователя), в газе содержаться примеси, которые затрудняют транспортировку и являются нежелательными при применении.

Например, пары воды могут конденсироваться и скапливаться в различных местах трубопровода, чаще всего, изгибах, мешая таким образом продвижению газа. Сероводород – сильный коррозионный агент, пагубно влияющий на трубопроводы, сопоуствуеющее оборудование и емкости для хранения.

В связи с этим, перед отправкой в магистральный нефтепровод или на нефтехимический завод газ проходит процедуру подготовки на газоперерабатывающем заводе (ГПЗ).

Первый этап подготовки – очистка от нежелательных примесей и осушка. После этого газ компримируют – сжимают до давления, необходимого для переработки. Традиционно природный газ сжимают до давления 200 — 250 бар, что приводит к уменьшению занимаемого объема в 200 — 250 раз.

Далее идет этап отбензинивания: на специальных установках газ разделяют на нестабильный газовый бензин и отбензиненный газ. Именно отбензиненный газ направляется в магистральные газопроводы и на нефтехимические производства.

Нестабильный газовый бензин подается на газофракционирующие установки, где из него выделяют легкий углеводороды: этан, пропан, бутан, пентан. Данные вещества также являются ценным сырьем, в частности для производства полимеров. А смесь бутана и пропана – уже готовый продукт, используемый, в частности, в качестве бытового топлива.

Транспортировка СПГ

Что делать с труднодоступными районами, находящимися вдали от основных магистральных газопроводов? В такие районы газ транспортируется в сжиженном состоянии (сжиженный природный газ, СПГ) в специальных криогенных емкостях по морю, и по суше.

По морю сжиженный газ перевозится на газовозах (СПГ-танкерах), судах оборудованных изотермическими емкостями.

СПГ перевозят также и сухопутным транспортом, как железнодорожным, так и автомобильными. Для этого используются специальных цистерны с двойными стенками, способными поддерживать необходимую температуру определенное время.

Экологичное топливо

Природный газ – основа коммунального хозяйства и энергетики. Его иногда называют «зелёным топливом», так как это самый чистый и безопасный для экологии вид топлива, поскольку при сгорании образует лишь воду и углекислый газ, объём которого минимален, в то время как при сгорании угля и нефтепродуктов образуется копоть и зола.

Природный газ идеален в качестве моторного топлива, и этому есть несколько причин:

• низкая стоимость по сравнению с бензином;
• меньше вредных выбросов, соответствие экологическому стандарту Евро-4;
• газовый двигатель более долговечен, чем бензиновый;
• возможность производства жидкого топлива с помощью технологии GTL (gas to liquid), например, топливо, которое мы знаем как дизельное.

Помимо топлива из природного газа можно синтезировать также различные смазочные масла, парафины и даже «синтетическую нефть».

Продукты отбензинивания

«Сырой», необработанный природный газ, помимо метана, содержит целый спектр примесей: гелий, вода, углекислый газ, азот, сероводород, а также лёгкие углеводороды, алканы – этан, пропан, бутан и др., которые мы называем бензиновой фракцией.

Процедура отбензинивания даёт нам ряд полезных и ценных продуктов: сам отбензиненный газ (именно он, очищенный, осушенный и повышенный, течёт по магистральному трубопроводу), и нестабильный газовый бензин (те же вышеописанные легкие углеводороды). Последний становится сырьем для получения различных полимеров и каучуков, а также известной нам пропан-бутановой фракции.

Химическое производство

В процессе нехитрых химических превращений из природного газа получают метанол, который является сырьём для различных веществ, востребованных как в производственной сфере, так и в быту. Среди них – различные клеи, лакокрасочные покрытия, изоляционные материалы, формальдегиды, уксусные кислоты и присадки для топлива. Также метанол помогает устранить гидратные пробки в нефте- и газопроводах и добывающих скважинах углеводородов.

Специальная обработка позволяет получить из природного газа высококачественные минеральные удобрения, а также газы гелий и аммиак, широко применяемые в производстве, медицине и приборостроении.

Интересные факты и гипотезы

Еще не так давно считалось, что мировые запасы нефти и газа должны исчерпаться уже в начале XXI века. Например, об этом писал в 1965 году авторитетный американский геофизик Хабберт.

До настоящего времени многие страны продолжают наращивать темпы добычи газа. Никаких реальных признаков, что запасы углеводородов заканчиваются, не наблюдается

По мнению доктора геолого-минералогических наук В.В. Полеванова, подобные заблуждения вызваны тем, что теория органического происхождения нефти и газа до сих пор общепринята и владеет умами большинства ученых. Хотя еще Д.И. Менделеев обосновал теорию о неорганическом глубинном происхождении нефти, а затем это было доказано Кудрявцевым и В.Р. Лариным.

Но против органического происхождения углеводородов говорят многие факты.

Вот некоторые из них:

• открыты месторождения на глубинах до 11 км, в кристаллических фундаментах, где существование органики не может быть даже теоретически;
• с помощью органической теории можно объяснить только 10 % запасов углеводородов, остальные 90% необъяснимы;
• космический зонд «Кассини» обнаружил в 2000 году на спутнике Сатурна Титане гигантские ресурсы углеводорода в виде озер, на несколько порядков превышающих земные.

Выдвинутая Лариным гипотеза изначально гидридной Земли объясняет происхождение углеводородов путем реакции водорода с углеродом в глубинах земли и последующей дегазацией метана.

Согласно ей, нет никаких древних залежей юрского периода. Вся нефть и газ могли образоваться в пределах от 1 до 15 тысяч лет назад. По мере отбора запасы могут постепенно пополнятся, что замечено на давно выработанных и заброшенных нефтяных месторождениях.

Водород из аммиака для автомобилей на топливных элементах

Предложенный австралийскими инженерами аппарат берет азот из воздуха и превращает его в аммиак, который затем отправляют на заправочную станцию. Уже там из него с помощью металлической мембраны выделяют водород в ходе низкоэнергетического процесса. Такая технология обладает огромным потенциалом, поскольку аммиак хранит почти в два раза больше энергии, чем жидкий водород, при этом его гораздо проще и безопаснее транспортировать

В 2019 году три европейские страны побили рекорды по возобновляемой энергии

Конференция ООН по изменению климата COP25 показала, что многие крайне важные вопросы остались без существенных изменений. При том, что изменение климата угрожает всем странам без исключения, одни из них принимают вызов, в то время как другие продолжают отрицать риски. К первой категории относятся Дания, Великобритания и Германия. Эти три станы в 2019 году показали значительный рост в использовании возобновляемых источников энергии.

Принцип работы заводов по переработке

Специализированные комплексы перерабатывают газ с определенной целью. Конечный продукт должен полностью очиститься от примесей и нужно постараться извлечь больше полезных элементов.

Крупное производство уделяет особое внимание минимализации затрат. Однако это не должно привести к нарушению экологического баланса. Вторичное сырье будет высококачественным и недорогим.

Действующие способы

Если нефть нуждается в обязательной очистке и подготовке, газ нередко попадает в трубопровод незамедлительно. На предприятии выбирают способы переработки, соответствующие составу сырья:

• задействуют физические и энергетические методы;
• проводят химические и каталитические реакции;
• используют термохимический процесс.

Действующие варианты проверены временем и отвечают уровням безопасности. С помощью вторичной переработки происходит окончательная очистка газа от примесей.

Продукты и переработки и применение

Чистый газ занимает объем до 80 процентов. Отличный источник топлива особенно востребован в зимний период. Полученные основные продукты химической переработки помогут создать ценную продукцию.

1. Производным компонентом метана станет формальдегид. Нашел применение в строительстве, мебельном производстве, медицине и косметологии. Производят теплоизоляцию, антисептики, фанеру и плиты.
2. Аммиак востребован в качестве сельхозудобрения. Нужен в пищевой промышленности и при разработке лекарственных препаратов.
3. Смолы способствуют созданию красителей и лака, применяемых в строительстве.
4. Инертный гелий нужен для спутников, ядерных реакторов, медицинских изделий и проведения геологоразведки.
5. Производство краски, каучука и полиуретана нуждается в анилине.
6. Метанол становится топливным элементом и растворителем.
7. Кислоты применяют в кулинарии, легкой и текстильной промышленности.
8. Изготовление пластмассовых изделий не обойдется без включения этилена, созданного после соединения с этаном.

Методы переработки делают добычу газа выгодной, поскольку технологии позволяют извлечь все ценные компоненты. Отрасли экономики получают качественное сырье по низкой себестоимости.

Как получается аммиак

Вначале природный газ очищают от серы, затем он смешивается с подогретым водяным паром и поступает в реактор, где проходит через слои катализатора. Эта стадия называется первичным риформингом, или парогазовой конверсией. Из реактора выходит газовая смесь, состоящая из водорода, метана, углекислого (СО2) и угарного газов (СО). Далее эта смесь направляется на вторичный риформинг (паровоздушная конверсия), где смешивается с кислородом из воздуха, паром и азотом в необходимом соотношении. На следующем этапе из смеси удаляют СО и СО2. После этого смесь водорода и азота поступает собственно на синтез аммиака.

На газе можно ездить

Природный газ может использоваться как моторное топливо. Сжатый (или компримированный) метан стоит в два раза дешевле 76-го бензина, продлевает ресурс двигателя и способен улучшить экологию городов. Двигатель на природном газе соответствует экологическому стандарту Евро-4. Газ можно использовать для обычных автомобилей, сельскохозяйственного, водного, воздушного и железнодорожного транспорта.

Компримированный газ получают на автомобильных газонаполнительных компрессорных станциях (АГНКС) путем сжатия природного газа, поступающего по газопроводу, до 20–25 МПа (200–250 атмосфер).

Еще из природного газа можно производить жидкие моторные топлива по технологии «газ-в-жидкость» (gas-to-liquid, GTL). Поскольку природный газ — достаточно инертный продукт, практически всегда при переработке на первом этапе его превращают в более реакционно-способную парогазовую смесь — так называемый синтез-газ (смесь СО и Н2).
Далее ее направляют на синтез для получения жидкого топлива. Это может быть так называемая синтетическая нефть, дизельное топливо, а также смазочные масла и парафины.

Впервые жидкие углеводороды из синтез-газа получили немецкие химики Франц Фишер и Ганс Тропш еще в 1923 году. Правда, тогда в качестве источника водорода они использовали уголь. В настоящее время различные варианты метода Фишера-Тропша используются во многих представленных на рынке процессах превращения газа в жидкие углеводороды.

Краска, клей и уксус

По схеме, похожей на процесс Фишера-Тропша, из природного газа получают метанол (CH3OH). Он используется в качестве реагента для борьбы с гидратными пробками, которые образуются в трубопроводах при низких температурах. Метанол может стать и сырьем для производства более сложных химических веществ: формальдегида, изоляционных материалов, лаков, красок, клеев, присадок для топлива, уксусной кислоты.

Путем нескольких химических превращений из природного газа получают также минеральные удобрения. На первой стадии это аммиак. Процесс получения аммиака из газа похож на процесс gas-to-liquid, но нужны другие катализаторы, давление и температура.

Аммиак сам по себе является удобрением, а также используется в холодильных установках как хладагент и в качестве сырья для производства азотсодержащих соединений: азотной кислоты, аммиачной селитры, карбамида.

Заключение

В плане экологии газ остается самым чистым видом топлива. Во время сгорания выброса вредных веществ практически не происходит. Создание парникового эффекта больше связано с другими источниками. Обойтись без переработки сырья невозможно. Первичное очищение проходит на месте разработки. Это уберегает трубопровод от разрушения и способствует отделению полезных элементов. На специализированных предприятиях сумеют окончательно синтезировать продукт. Отходы отсутствуют, поскольку выделенные элементы нужны в других отраслях и пользуются необычайным спросом.