Vše o zemním plynu: složení a vlastnosti, těžba a využití zemního plynu

Díky vysoké energetické účinnosti a šetrnosti k životnímu prostředí má zemní plyn spolu s ropou prvořadý význam. Je široce používán jako palivo a také slouží jako cenná surovina pro chemický průmysl.

A přestože se používání plynu stalo každodenní a běžné, zůstává stále složitou a poměrně nebezpečnou látkou – aby se dostala do hořáku plynového zařízení, urazí dlouhou a složitou cestu.

V článku se budeme zabývat hlavními otázkami týkajícími se zemního hořlavého plynu – budeme hovořit o jeho složení a vlastnostech, popíšeme fáze těžby, dopravy a zpracování plynu, oblasti jeho použití. Podíváme se na moderní poznatky o původu zásob uhlovodíků, zajímavá fakta a hypotézy.

Co je to zemní hořlavý plyn?

Panuje názor, že plyn leží pod zemí v dutinách a lze jej snadno vytěžit, stačí vyvrtat vrt. Ale ve skutečnosti je vše mnohem složitější: plyn se může nacházet uvnitř porézní horniny, může být rozpuštěn ve vodě, kapalných uhlovodících, ropě.

Abychom pochopili, proč k tomu dochází, stačí si připomenout, že slovo «plyn» pochází z řeckého «chaos», které odráží princip chování látky. V plynném stavu se molekuly pohybují chaoticky a snaží se rovnoměrně zaplnit veškerý dostupný objem. Díky tomu jsou schopny pronikat a rozpouštět se v jiných látkách, včetně hustších kapalin a minerálů. Vysoký tlak a teplota výrazně zesilují proces difúze. Často právě ve formě takového «koktejlu» je zemní plyn obsažen v hlubinách.

Nejprve si ale povězme, z čeho se plyn skládá a co představuje – podíváme se na chemické složení a fyzikální vlastnosti zemního hořlavého plynu.

Zvláštnosti chemického složení

Plyn těžený z hlubin, který se nazývá «zemní», je směsí různých plynů.

Podle složení se dělí do tří skupin složek:

• hořlavé – uhlovodíky;
• nehořlavé (balastní) – dusík, oxid uhličitý, kyslík, helium, vodní páry;
• škodlivé příměsi – sirovodík a merkaptany.

První a hlavní skupina představuje soubor uhlovodíků metanové řady (homologů) s počtem atomů uhlíku od 1 do 5. Největší procento ve směsi tvoří metan (od 70 do 98 %), který má jeden atom uhlíku. Obsah ostatních plynů (etanu, propanu, butanu, pentanu) kolísá od jednotek po desetiny procenta.

Pro plyn těžený z ložisek je charakteristická vysoká koncentrace metanu. U přidruženého plynu, získaného z ropy, je podíl metanu mnohem nižší: 30–60 %, a podíl homologů vyšší: 10–20 %.

Kromě uhlovodíků mohou být ve směsi přítomny nehořlavé látky v malém množství: sirovodík, dusík, oxid uhličitý, oxid uhelnatý, vodík a další. Ale v závislosti na ložisku se mohou proporce uhlovodíků, stejně jako složení ostatních plynů, výrazně měnit.

Fyzikální vlastnosti plynu

Z fyzikálních vlastností metan CH₄ nemá barvu ani zápach, je velmi hořlavý. Při koncentracích ve vzduchu nad 4,5 % je výbušný. Tato vlastnost v kombinaci s absencí zápachu představuje velkou hrozbu a problém. Zejména v dolech, protože metan se absorbuje uhlím.

O příčinách výbuchu plynu v domácnostech jsme psali v tomto materiálu.

Pro dodání zápachu plynu za účelem detekce jeho úniků se před přepravou přidávají speciální látky s nepříjemným zápachem – odoranty. Nejčastěji se jedná o sirné sloučeniny – ethanthiol nebo ethylmerkaptan. Podíl příměsi se volí tak, aby byl únik cítit při koncentraci plynu 1 %.

Hlavní výhodou modrého paliva je vysoká měrná výhřevnost – 39 MJ/kg. Při tom se uvolňují neškodné látky: voda a oxid uhličitý. To je také důležitý faktor, umožňující používat metan v domácnosti.

Odkud se bere plyn v zemských hlubinách?

Ačkoli se lidé naučili používat plyn před více než 200 lety, dodnes neexistuje jednotný názor na to, odkud se plyn v nitru Země bere.

Hlavní teorie vzniku

Existují dvě hlavní teorie jeho vzniku:

• minerální, vysvětlující vznik plynů procesy odplynění uhlovodíků z hlubších a hustších vrstev země a jejich vzestupem do zón s nižším tlakem;
• organická (biogenní), podle které je plyn produktem rozkladu zbytků živých organismů za podmínek zvýšeného tlaku, teploty a nepřítomnosti vzduchu.

V ložisku se plyn může nacházet ve formě samostatného nahromadění, plynové čepičky, roztoku v ropě nebo vodě, nebo plynných hydrátů. V posledním případě se ložiska nacházejí v porézních horninách mezi nepropustnými vrstvami jílu. Nejčastěji jsou těmito horninami zhutněný pískovec, karbonáty, vápence.

Podíl běžných nalezišť plynu činí pouze 0,8 %. O něco větší procento připadá na hlubinný, uhelný a břidlicový plyn – od 1,4 do 1,9 %. Nejrozšířenějšími druhy ložisek jsou vodou rozpuštěné plyny a hydráty – přibližně ve stejném poměru (po 46,9 %).

Protože plyn je lehčí než ropa a voda těžší, poloha fosilií v ložisku je vždy stejná: plyn je nad ropou a voda podpírá zespodu celé ropné a plynové ložisko.

Plyn v ložisku je pod tlakem. Čím hlouběji ložisko, tím je tlak vyšší. V průměru na každých 10 metrů činí nárůst tlaku 0,1 MPa. Existují ložiska s anomálně vysokým tlakem. Například na achimovských uloženinách urengojského naleziště dosahuje 600 atmosfér a výše při hloubce uložení od 3800 do 4500 m.

Zajímavá fakta a hypotézy

Ještě nedávno se mělo za to, že světové zásoby ropy a plynu by se měly vyčerpat již na počátku 21. století. Například o tom psal v roce 1965 autoritativní americký geofyzik Hubbert.

Do současné doby mnoho zemí nadále zvyšuje tempo těžby plynu. Nejsou pozorovány žádné skutečné známky toho, že by zásoby uhlovodíků docházely.

Podle názoru doktora geologicko-mineralogických věd V.V. Polevanova jsou podobné omyly způsobeny tím, že teorie organického původu ropy a plynu je dodnes obecně přijímána a ovládá mysl většiny vědců. Ačkoli již D.I. Mendělejev zdůvodnil teorii o anorganickém hlubinném původu ropy, a poté to bylo prokázáno Kudrjavcevem a V.R. Larinem.

Proti organickému původu uhlovodíků však hovoří mnoho faktů.

Zde jsou některé z nich:

• byla otevřena naleziště v hloubkách do 11 km, v krystalických podložích, kde existence organiky nemůže být ani teoreticky možná;
• pomocí organické teorie lze vysvětlit pouze 10 % zásob uhlovodíků, zbývajících 90 % je nevysvětlitelných;
• kosmická sonda «Cassini» objevila v roce 2000 na Saturnově měsíci Titanu obrovské zdroje uhlovodíků ve formě jezer, o několik řádů převyšujících pozemské.

Hypotéza původně hydridové Země, kterou předložil Larin, vysvětluje vznik uhlovodíků pomocí reakce vodíku s uhlíkem v nitru Země a následné degazace metanu.

Podle ní neexistují žádná prastará ložiska z jury. Veškerá ropa a plyn mohly vzniknout v rozmezí 1 až 15 tisíc let zpět. Při těžbě se zásoby mohou postupně doplňovat, což bylo pozorováno na dávno vytěžených a opuštěných ropných nalezištích.

Jak probíhá těžba a doprava?

Proces těžby zemního plynu začíná stavbou vrtů. V závislosti na uložení plynonosného ložiska může jejich hloubka dosahovat 7 km. Během vrtání se do vrtu spouští trubka (pažnicová kolona). Aby se zabránilo úniku plynu prostorem mezi trubkou a stěnami vrtu, provádí se tamponáž – vyplnění mezery jílem nebo cementem.

Po dokončení stavby je vrtná věž odstraněna a na hlavici pažnicové kolony je instalována těžební armatura. Představuje konstrukci z uzávěrů a ventilů a slouží k odběru plynu z vrtu.

Počet vrtů může být poměrně velký.

Na těžební armaturu je kladeno několik funkcí: udržuje zavěšené těžební trubky ve vrtu, řídí pracovní režimy, měří parametry vnější a vnitřní části vrtu.

Celý cyklus těžby zemního plynu probíhá ve třech fázích:

1. Rozvoj ložiska plynu. V důsledku vrtání vzniká rozdíl tlaků. Díky tomu se plyn pohybuje po ložisku směrem k vrtům.
2. Provoz plynových vrtů. V této fázi plyn prochází pažnicovou kolonou.
3. Sběr a příprava k přepravě. Plyn ze všech těžebních armatur přichází do speciálních technologických komplexů UKPG. V nich probíhá sušení plynu, čištění od škodlivých nečistot.

I nepatrné koncentrace sirovodíku, vodní páry nebo pevných částic vedou k rychlé korozi, tvorbě hydrátu a mechanickému poškození vnitřního povrchu potrubí.

Konečná příprava k přepravě probíhá na hlavních objektech. Zahrnuje dočištění a odstranění uhlovodíkového kondenzátu, ochlazení plynu pro zmenšení jeho objemu.

Hlavním způsobem přepravy plynu na velké vzdálenosti je dálkový plynovod. Představuje systém složitých inženýrských staveb od samotných potrubí až po podzemní zásobníky.

V koncovém bodě trasy se nacházejí plynárenské distribuční stanice (PDS). Zde probíhá konečné čištění od nečistot prachu a kapalin, snížení tlaku na úroveň potřebnou pro spotřebitele, jeho stabilizace, měření spotřeby plynu a přidání odorantu.

Dalším rozšířeným způsobem přepravy metanu je námořní přeprava speciálními plavidly – plynovými tankery.

Obrovské kulovité nádrže nedovolí zaměnit plynový tanker s jinými typy lodí. Představují termosky udržující stálou potřebnou teplotu pro kapalný metan -163 °C.

Přeměna plynu na kapalné skupenství se provádí ve speciálních závodech na LNG. Proces probíhá ve dvou fázích: nejprve je metan ochlazen na -50 °C, poté na -163 °C. Přitom se jeho objem zmenší 600krát.

Zpracování a oblasti použití

Vysoká hořlavost zemního plynu určuje jeho hlavní použití. Používá se jako palivo v továrnách, výrobních podnicích, teplárnách, kotelnách, institucích, obytných domech, zemědělských objektech a mnoha dalších. Doporučujeme seznámit se s pravidly používání plynu v domácnosti.

Těžba a zpracování ropy je vždy doprovázeno uvolňováním přidruženého plynu. V některých případech mohou být jeho objemy impozantní a dosahovat až 300 kubických metrů na jeden krychlový metr surové ropy.

Existuje však velké množství ložisek, kde se přírodní přidružený plyn nevyužívá, ale spaluje se ve flérách. Například v celém Rusku se takto ztrácí až 25 % užitečné suroviny.

Část přidruženého plynu je dodávána do plynárenských zpracovatelských závodů. Z něj se získává vyčištěný suchý plyn, který se používá k vytápění. Další cennou složkou je směs lehkých uhlovodíků.

Na schématu je znázorněn celkový obraz procesu zpracování těženého plynu. Význam konečných produktů pro moderní chemický průmysl je těžké přecenit.

Dále se rozděluje na frakce ve speciálních zařízeních. Výsledkem jsou uhlovodíky jako propan, butan, isobutan, pentan. Pro zmenšení objemu, usnadnění přepravy a skladování se zkapalňují.

Přestavba automobilů na plyn se rychle vyplatí a přináší znatelnou úsporu nákladů. Rozšíření sítě plynových čerpacích stanic přispívá k nárůstu počtu vozidel s LPG. Vyhrávají nejen řidiči, ale i chodci, kteří nemusí dýchat škodlivé výfukové plyny.

Propan a butan se používají k vytápění domů propan-butanem v lahvích nebo pro automobily. Většina však putuje k dalšímu zpracování v petrochemických závodech.

Vysokoteplotním ohřevem (pyrolýzou) se z nich získávají hlavní suroviny pro všechny syntetické materiály – monomery: ethylen, propylen, butadien. Působením katalyzátorů se spojují do polymerů. Výsledkem jsou tak cenné materiály jako kaučuk, PVC, polyetylén a mnoho dalších.

Závěry a užitečné video k tématu

V dokumentárním filmu je přístupně a názorně pojednáno o plynu:

Tento vzdělávací film je věnován dálkové přepravě plynu:

O zemním plynu toho ještě zdaleka nevíme všechno – jeho původ stále skrývá mnoho záhad. Zbývá doufat, že modré palivo je skutečně nevyčerpatelný dar, který bude stačit nám i našim potomkům.

Zůstaly vám po přečtení výše uvedeného materiálu nějaké otázky? Nebo chcete článek doplnit užitečnými připomínkami, zajímavými fakty nebo fotografiemi? Pište své komentáře, pokládejte otázky, zapojte se do diskuse – formulář pro zpětnou vazbu se nachází níže.