Viskas apie gamtines dujas: sudėtis ir savybės, gavyba ir taikymas gamtinių dujų

Dėl didelio energijos efektyvumo ir ekologiškumo gamtinės dujos, kaip ir nafta, turi didžiausią reikšmę. Jos plačiai naudojamos kaip kuras, taip pat yra vertinga žaliava chemijos pramonei.

Nors dujų naudojimas tapo kasdieniškas ir įprastas, jos vis dar yra sudėtingos sudėties ir gana pavojinga medžiaga – kad patektų į dujų prietaiso degiklį, jos nueina ilgą ir sudėtingą kelią.

Straipsnyje aptarsime pagrindinius klausimus, susijusius su gamtinėmis degiosiomis dujomis – pakalbėsime apie jų sudėtį ir savybes, apibūdinsime dujų gavybos, transportavimo ir perdirbimo etapus, jų taikymo sritis. Apžvelgsime šiuolaikines žinias apie angliavandenilių išteklių kilmę, įdomius faktus ir hipotezes.

Kas yra gamtinės degiosios dujos?

Egzistuoja nuomonė, kad dujos po žeme yra tuštumose ir lengvai iš jų išgaunamos, tam pakanka išgręžti gręžinį. Tačiau iš tikrųjų viskas yra daug sudėtingiau: dujos gali būti akytos uolienos viduje, gali būti ištirpusios vandenyje, skystuose angliavandeniliuose, naftoje.

Norint suprasti, kodėl taip nutinka, pakanka prisiminti, kad žodis «dujos» kilo iš graikų «chaosas», kuris atspindi medžiagos elgesio principą. Dujinėje būsenoje molekulės juda chaotiškai, stengdamosi tolygiai užpildyti visą galimą tūrį. Dėl to jos gali prasiskverbti ir ištirpti kitose medžiagose, įskaitant tankesnius skysčius ir mineralus. Aukštas slėgis ir temperatūra gerokai sustiprina difuzijos procesą. Dažnai būtent tokio «kokteilio» pavidalu gamtinės dujos būna gelmėse.

Tačiau pradžioje pakalbėsime apie tai, iš ko sudarytos dujos ir ką jos reprezentuoja – aptarsime gamtinių degiųjų dujų cheminę sudėtį ir fizines savybes.

Cheminės sudėties ypatumai

Dujos, išgaunamos iš gelmių, kurios vadinamos «gamtinėmis», – tai įvairių dujų mišinys.

Pagal sudėtį jos skirstomos į tris komponentų grupes:

• degiosios – angliavandeniliai;
• nedegiosios (balastai) – azotas, anglies dioksidas, deguonis, helis, vandens garai;
• kenksmingos priemaišos – vandenilio sulfidas ir merkaptanai.

Pirmoji ir pagrindinė grupė yra angliavandenilių, priklausančių metano eilei (homologų), rinkinys, turintis nuo 1 iki 5 anglies atomų. Didžiausią procentą mišinyje sudaro metanas (nuo 70 iki 98 %), turintis vieną anglies atomą. Kitų dujų (etano, propano, butano, pentano) kiekis svyruoja nuo vienetų iki dešimtųjų procentų dalių.

Dujoms, išgaunamoms iš telkinių, būdinga didelė metano koncentracija. Gretutinėse dujose, išskiriamose iš naftos, metano dalis yra daug mažesnė: 30–60 %, o homologų – didesnė: 10–20 %.

Be angliavandenilių mišinyje gali būti nedideli kiekiai nedegių medžiagų: sieros vandenilio, azoto, anglies dioksido, anglies oksido, vandenilio ir kitų. Tačiau, priklausomai nuo telkinio, angliavandenilių proporcijos, kaip ir kitų dujų sudėtis, gali labai svyruoti.

Fizinės dujų savybės

Pagal fizines savybes metanas CH₄ neturi spalvos ir kvapo, yra labai degus. Esant koncentracijoms ore, didesnėms nei 4,5 % – sprogstamasis. Ši jo savybė, kartu su kvapo nebuvimu, kelia didelę grėsmę ir problemą. Ypač kasyklose, nes metanas absorbuojamas anglimi.

Apie dujų sprogimo priežastis buitinėmis sąlygomis rašėme šioje medžiagoje.

Siekiant suteikti dujoms kvapą, kad būtų galima aptikti jų nuotėkius, prieš transportavimą į jas pridedamos specialios nemalonaus kvapo medžiagos – odorantai. Dažniausiai tai yra sieros turintys junginiai – etantiolis arba etilmerkaptanas. Priemaišos kiekis parenkamas taip, kad nuotėkis būtų juntamas, kai dujų koncentracija yra 1 %.

Pagrindinis mėlynojo kuro pranašumas yra didelis savitasis degimo šilumos kiekis – 39 MJ/kg. Tuo tarpu išsiskiria nekenksmingos medžiagos: vanduo ir anglies dioksidas. Tai taip pat svarbus veiksnys, leidžiantis naudoti metaną buityje.

Iš kur atsiranda dujos žemės gelmėse?

Nors žmonės išmoko naudoti dujas daugiau nei prieš 200 metų, iki šiol nėra vieningos nuomonės, iš kur atsiranda dujos žemės gelmėse.

Pagrindinės kilmės teorijos

Egzistuoja dvi pagrindinės jo kilmės teorijos:

• mineralinė, aiškinanti dujų susidarymą angliavandenilių degazavimo procesais iš gilesnių ir tankesnių žemės sluoksnių ir jų pakilimu į mažesnio slėgio zonas;
• organinė (biogeninė), pagal kurią dujos yra gyvų organizmų liekanų skilimo produktas aukšto slėgio, temperatūros ir oro trūkumo sąlygomis.

Telkinyje dujos gali būti kaip atskira sankaupa, dujinis gaubtas, tirpalas naftoje ar vandenyje arba dujų hidratai. Pastaruoju atveju klodai yra akytose uolienose tarp dujoms nepralaidžių molio sluoksnių. Dažniausiai tokios uolienos yra sutankėjęs smiltainis, karbonatai, klinčiai.

Įprastų dujų telkinių dalis sudaro tik 0,8%. Šiek tiek didesnis procentas tenka giliųjų, anglies ir skalūnų dujoms – nuo 1,4 iki 1,9%. Labiausiai paplitusios klodų rūšys yra vandenyje ištirpusios dujos ir hidratai – maždaug lygiomis proporcijomis (po 46,9%).

Kadangi dujos lengvesnės už naftą, o vanduo sunkesnis, iškasenų padėtis sluoksnyje visada ta pati: dujos yra virš naftos, o vanduo iš apačios palaiko visą naftos ir dujų telkinį.

Dujos sluoksnyje yra veikiamos slėgio. Kuo gilesni klodai, tuo jis didesnis. Vidutiniškai kas 10 metrų slėgis padidėja 0,1 MPa. Egzistuoja sluoksniai su anomaliai aukštu slėgiu. Pavyzdžiui, Urengojaus telkinio Ačimovskio nuogulose jis siekia 600 atmosferų ir daugiau, kai gylis yra nuo 3800 iki 4500 m.

Įdomūs faktai ir hipotezės

Dar visai neseniai buvo manoma, kad pasaulio naftos ir dujų atsargos turėtų išsekti jau XXI amžiaus pradžioje. Pavyzdžiui, apie tai 1965 metais rašė autoritetingas amerikiečių geofizikas Habertas.

Iki šiol daugelis šalių ir toliau didina dujų gavybos tempus. Jokių realių požymių, kad angliavandenilių atsargos senka, nėra stebima.

Geologijos ir mineralogijos mokslų daktaro V. V. Polevanovo nuomone, tokios klaidingos nuostatos atsirado dėl to, kad organinė naftos ir dujų kilmės teorija vis dar yra visuotinai priimta ir vyrauja daugumos mokslininkų protuose. Nors dar D. I. Mendelejevas pagrindė neorganinės giluminės naftos kilmės teoriją, o vėliau tai įrodė Kudriavcevas ir V. R. Larinas.

Tačiau prieš organinę angliavandenilių kilmę kalba daugelis faktų.

Štai keletas jų:

• atidaryti telkiniai iki 11 km gylyje, kristaliniuose pamatuose, kur organinių medžiagų egzistavimas net teoriškai negalimas;
• organine teorija galima paaiškinti tik 10 % angliavandenilių atsargų, likę 90 % yra nepaaiškinami;
• kosminis zondas „Cassini“ 2000 metais atrado Saturno palydove Titane milžiniškus angliavandenilio išteklius ežerų pavidalu, kelis kartus viršijančius žemiškus.

Larino iškelta hipotezė apie iš pradžių hidridinę Žemę paaiškina angliavandenilių kilmę vandenilio reakcijos su anglimi būdu Žemės gelmėse ir vėlesne metano degazacija.

Pagal ją, nėra jokių senovinių juros periodo klodų. Visa nafta ir dujos galėjo susidaryti per laikotarpį nuo 1 iki 15 tūkstančių metų. Atrenkant atsargas, jos gali palaipsniui pasipildyti, kas pastebėta seniai išeksploatuotuose ir apleistuose naftos telkiniuose.

Kaip vyksta gavyba ir transportavimas?

Natūralių degiųjų dujų gavybos procesas prasideda nuo gręžinių statybos. Priklausomai nuo dujingo sluoksnio išsidėstymo, jų gylis gali siekti 7 km. Gręžimo metu į gręžinį nuleidžiamas vamzdis (išorinis vamzdžių stulpas). Siekiant išvengti dujų išėjimo per tarpą tarp vamzdžio ir gręžinio sienelių, atliekamas tamponažas – tarpo užpildymas moliu arba cementu.

Baigus statybą, gręžimo bokštas pašalinamas ir ant gaubtinės kolonos galvutės įrengiama fontaninė armatūra. Ji sudaryta iš sklendžių ir vožtuvų konstrukcijos, skirta dujoms iš gręžinio ištraukti.

Gręžinių skaičius gali būti gana didelis.

Fontaninei armatūrai priskiriamos kelios funkcijos: ji laiko pakabintas gręžinyje siurbimo-kompresoriniai vamzdžius, valdo darbo režimus, matuoja išorinio ir vidinio gręžinio parametrus.

Visas gamtinių degiųjų dujų gavybos ciklas vyksta trimis etapais:

1. Dujų telkinio plėtra. Gręžimo metu sukuriamas slėgių skirtumas. Dėl to dujos juda sluoksniu link gręžinių.
2. Dujų gręžinių eksploatavimas. Šiame etape dujos keliauja per gaubtinę koloną.
3. Surinkimas ir paruošimas transportavimui. Dujos iš visų fontaninių armatūrų patenka į specialius technologinius kompleksus (UKPG). Juose vyksta dujų džiovinimas, valymas nuo kenksmingų priemaišų.

Net nedidelės vandenilio sulfido, vandens garų ar kietųjų dalelių koncentracijos sukelia greitą koroziją, hidratų susidarymą ir mechaninius vamzdyno vidinio paviršiaus pažeidimus.

Galutinis paruošimas transportavimui atliekamas galiniuose įrenginiuose. Tai apima papildomą valymą ir angliavandenilių kondensato pašalinimą, dujų aušinimą, siekiant sumažinti jų tūrį.

Pagrindinė dujų transportavimo dideliais atstumais rūšis yra magistralinis dujotiekis. Tai sudėtingų inžinerinių statinių sistema, apimanti nuo pačių vamzdynų iki požeminių saugyklų.

Galiniame magistralės taške yra dujų skirstymo stotys (DSS). Čia atliekamas paskutinis valymas nuo dulkių ir skysčių priemaišų, slėgio sumažinimas iki lygio, reikalingo vartotojams, jo stabilizavimas, dujų sunaudojimo apskaita ir odoranto pridėjimas.

Kitas plačiai paplitęs metano transportavimo būdas yra jūriniai pervežimai specialiais laivais – dujovežiais.

Didžiuliai sferiniai rezervuarai neleis supainioti dujovežio su kitų tipų laivais. Jie yra tarsi termoso indai, palaikantys pastovią reikiamą skysto metano temperatūrą -163 °C.

Dujų pavertimas skysta būsena atliekamas specialiose SGD gamyklose. Procesas vyksta dviem etapais: pirmiausia metanas atšaldomas iki -50 °C, o vėliau iki -163 °C. Tuo metu jo tūris sumažėja 600 kartų.

Perdirbimas ir taikymo sritys

Didelis gamtinių dujų degumas lemia jų pagrindinį naudojimą. Jos naudojamos kaip kuras gamyklose, fabrikuose, šiluminėse elektrinėse, katilinėse, įstaigose, gyvenamuosiuose namuose, žemės ūkio objektuose ir daugelyje kitų. Rekomenduojame susipažinti su dujų naudojimo buityje taisyklėmis.

Naftos gavybą ir perdirbimą visada lydi susijusių dujų išsiskyrimas. Kai kuriais atvejais jų kiekiai gali būti įspūdingi ir siekti iki 300 kubinių metrų vienam kubui žalios naftos.

Tačiau yra daug telkinių, kur gamtinės susijusios dujos nenaudojamos, o deginamos fakeluose. Pavyzdžiui, visoje Rusijoje tokiu būdu prarandama iki 25% naudingos žaliavos.

Dalis susijusių dujų patenka į dujų perdirbimo gamyklas. Iš jų gaunamos išgrynintos sausos dujos, kurios naudojamos šildymui. Kita vertinga sudedamoji dalis yra lengvųjų angliavandenilių mišinys.

Schemoje parodytas bendras išgaunamų dujų perdirbimo proceso vaizdas. Galutinių produktų vaidmens šiuolaikinei chemijos pramonei sunku pervertinti.

Toliau jis skirstomas į frakcijas specialiuose įrenginiuose. Rezultate gaunami tokie angliavandeniliai kaip propanas, butanas, izobutanas, pentanas. Siekiant sumažinti tūrį, palengvinti transportavimą ir laikymą, jie suskystinami.

Automobilių pertvarkymas dujoms greitai atsiperka ir suteikia pastebimą lėšų taupymą. Dujų pildymo stočių tinklo plėtra prisideda prie automobilių su dujų įranga parko didėjimo. Laimi ne tik vairuotojai, bet ir pėstieji, kuriems nereikia kvėpuoti kenksmingomis išmetamosiomis dujomis.

Propanas ir butanas naudojami namų šildymui balioninėmis dujomis arba automobiliams. Tačiau didžioji dalis patenka tolesniam perdirbimui į naftos chemijos gamyklas.

Aukštos temperatūros kaitinimo (pirolizės) būdu iš jų gaunama pagrindinė žaliava visoms sintetinėms medžiagoms – monomerai: etilenas, propilenas, butadienas. Katalizatorių veikiami jie sujungiami į polimerus. Išeigoje gaunamos tokios vertingiausios medžiagos kaip kaučiukas, PVC, polietilenas ir daugelis kitų.

Išvados ir naudingas vaizdo įrašas šia tema

Dokumentiniame filme aiškiai ir vaizdžiai pasakojama apie dujas:

Šis mokomasis filmas skirtas magistraliniam dujų transportui:

Mums dar toli gražu ne viskas žinoma apie gamtines dujas – jų kilmė vis dar slepia daug paslapčių. Belieka tikėtis, kad mėlynasis kuras – išties neišsenkama dovana, kurios užteks ir mums, ir mūsų palikuonims.

Ar jums liko klausimų perskaičius aukščiau pateiktą medžiagą? Arba norite papildyti straipsnį naudingomis pastabomis, įdomiais faktais ar nuotraukomis? Rašykite savo komentarus, užduokite klausimus, dalyvaukite diskusijoje – atsiliepimų forma yra žemiau.