gaz ziemny
Gaz ziemny, błękitne paliwo – paliwo kopalne stanowiące gazową mieszaninę lekkich, małocząsteczkowych węglowodorów parafinowych (alkanów), w skład której wchodzi głównie metan (˃ 90%) a także etan, propan, butan oraz śladowe ilości węglowodorów wyższych (pentan, heksan). Składniki gazu ziemnego stanowią również zanieczyszczenia nieorganiczne, takie jak azot, siarkowodór, tlenek węgla, dwutlenek węgla i hel. Gaz ziemny jest ważnym surowcem energetycznym; wykorzystywany jest głównie jako paliwo do celów grzewczych oraz jako źródło energii w produkcji energii elektrycznej i paliwo do napędu samochodowych silników spalinowych. Gaz ziemny ma również zastosowanie w przemyśle chemicznym jako surowiec do otrzymywania acetylenu, cyjanowodoru, amoniaku, sadzy, wodoru i gazu syntezowego.
Pochodzenie i występowanie złóż gazu ziemnego
Złoża gazu ziemnego, analogicznie do złóż ropy naftowej, są złożami biogenicznymi powstałymi wskutek przeobrażenia rozkładających się na dnie morskim szczątków mikroskopijnych organizmów roślinnych i zwierzęcych (fitoplanktonu, zooplanktonu), stopniowo pozbawianych dostępu tlenu przez warstwę opadających na dno okruchów mineralnych. Przeobrażenie szczątków organicznych polegało na niskotemperaturowych procesach związanych z działalnością bakterii tlenowych (aerobowych), w wyniku których tworzył się metan, etan, propan, butan oraz dwutlenek węgla i siarkowodór; rozkładzie tych szczątków pod wpływem bakterii beztlenowych (anaerobowych) do bardziej jednorodnej substancji, zwanej kerogenem; oraz długotrwałych procesach geochemicznych (diageneza, metamorfizm) zachodzących w warunkach wysokiej temperatury i wysokiego ciśnienia przy udziale ruchów tektonicznych, wskutek czego w skałach macierzystych z kerogenu powstał bogaty w małocząsteczkowe węglowodory gaz ziemny.
Złoża gazu ziemnego występują przeważnie wraz ze złożami ropy naftowej w mezozoicznych i trzeciorzędowych skałach osadowych, takich jak piaski, piaskowce, wapienie i dolomity, których porowatości i szczeliny pełnią funkcję kolektorów złożowych; wyjątkowo złoża te mogą znajdować się w szczelinach skał magmowych bądź metamorficznych. Gaz ziemny może także tworzyć oddzielne złoża bądź towarzyszyć złożom węgla kamiennego. Gaz ten występuje w dwóch głównych formach – formie rozpuszczonej w ropie naftowej lub wodzie bądź formie związanej w skałach osadowych lub węglu. Największe złoża gazu ziemnego zlokalizowane są na Bliskim Wschodzie (Arabia Saudyjska, Irak, Iran, Zjednoczone Emiraty Arabskie, Katar), na obszarze Azji (Rosja, Turkmenistan), północnej Afryki (Algieria), regionu Zatoki Gwinejskiej (Nigeria), Ameryki Północnej (Stany Zjednoczone), Ameryki Południowej (Wenezuela) oraz Norwegii (złoża pod dnem Morza Norweskiego i Morza Północnego).
Właściwości fizyczne i skład chemiczny gazu ziemnego
Gaz ziemny jest bezbarwnym i bezwonnym gazem; ze względów bezpieczeństwa przed wprowadzeniem do sieci gazowej gaz ziemny poddawany jest procesowi nawaniania za pomocą tetrahydrotiofenu (THT) posiadającego charakterystyczny, nieprzyjemny zapach, który umożliwia jego szybkie wykrycie w razie ulatniania się z instalacji. Gaz ziemny jest gazem skrajnie łatwopalnym; wartość opałowa tego surowca wynosi 8400-15000 kcal/m³ (35,2-62,8 MJ/m³). Tworzy mieszaniny wybuchowe w połączeniu z powietrzem, gwałtownie reaguje z silnymi utleniaczami. Gaz ziemny jest rozpuszczalny w wodzie (3,5 g/l w 17°C); dobrze rozpuszcza się w rozpuszczalnikach organicznych (etanolu, eterze, benzenie, toluenie, metanolu), słabiej w acetonie. Jest lżejszy od powietrza; gęstość głównego składnika, czyli metanu (CH₄), wynosi 0,7168³ · 10¯³ g/cm³. Temperatura topnienia wynosi –182,47°C; temperatura wrzenia wynosi – 161,48°C. Gaz ziemny posiada właściwości duszące; obniża stężenie tlenu w powietrzu, zastępując go metanem.
Gaz ziemny, określany również mianem błękitnego paliwa, stanowi gazową mieszaninę lekkich, małocząsteczkowych węglowodorów parafinowych (alkanów) składającą się przede wszystkim z metanu (˃ 90%), niewielkich ilości etanu, propanu i butanu oraz śladowych ilości wyższych węglowodorów (pentanu, heksanu). Składniki gazu ziemnego stanowią także zanieczyszczenia nieorganiczne, takie jak azot, siarkowodór, tlenek węgla, dwutlenek węgla oraz hel. Podział gazu ziemnego na poszczególne typy opiera się głównie na jego składzie chemicznym; zależnie od zawartości węglowodorów parafinowych wyróżnia się suchy gaz ziemny (95% metanu, 2% etanu, 3% węglowodorów wyższych, siarkowodoru, dwutlenku węgla i azotu) oraz mokry gaz ziemny (80% metanu, 6,5% etanu, 6% propanu, 4% butanu, 3,5% pentanu i węglowodorów wyższych).
Wydobycie i przeróbka gazu ziemnego
Poszukiwanie złóż gazu ziemnego obejmuje analizę historycznych danych geologicznych, analizę wykonanych na danym obszarze badań geofizycznych (m.in. pomiarów, odwiertów badawczych i poszukiwawczych) oraz przeprowadzanie badań sejsmicznych za pomocą metody pomiarowej zwanej sejsmiką refleksyjną. Metoda ta polega na wywołaniu serii podziemnych eksplozji w pobliżu potencjalnego złoża gazu ziemnego, obserwacji i rejestracji powstałych wskutek eksplozji fal sejsmicznych w celu określenia jego dokładnej lokalizacji oraz wielkości.
Wydobywanie gazu ziemnego ze złóż konwencjonalnych znajdujących się w skałach osadowych o dużej porowatości i przepuszczalności polega na technologii odwiertów pionowych, w wyniku której gaz ziemny wydostaje się na powierzchnię pod wpływem własnego ciśnienia. Wydobywanie gazu ziemnego ze złóż niekonwencjonalnych znajdujących się w skałach o niższej porowatości i przepuszczalności, np. piaskowcach (gaz zamknięty) lub skałach ilasto-mułowcowych (gaz łupkowy) polega na wykonywaniu odwiertów poziomych; gaz ziemny wydostaje się na powierzchnię dzięki technologii szczelinowania hydraulicznego polegającej na zwiększaniu ciśnienia pod ziemią przez wtłaczanie do złoża wody z dodatkami chemicznymi. Światowe wydobycie gazu ziemnego w 2019 roku wyniosło 3178 mld m³; do największych producentów tego surowca należały Stany Zjednoczone (962 mld m³), Rosja (678 mld m³) oraz Iran (230 mld m³).
Gaz ziemny po wydobyciu poddawany jest wstępnej obróbce technologicznej polegającej na pozbyciu się zbędnych zanieczyszczeń nieorganicznych, czyli odwodnieniu (usunięciu pary wodnej), odsiarczeniu (usunięciu siarkowodoru), odazotowaniu (usunięciu azotu), usunięciu dwutlenku węgla oraz odzyskaniu helu, a także zanieczyszczeń organicznych (mieszaniny propanu i butanu).
Przeprowadzany jest także proces nawaniania gazu ziemnego za pomocą tetrahydrotiofenu (THT). Gaz ziemny po wstępnej obróbce i osuszeniu do temperatury punktu rosy, w której rozpoczyna się proces jego skraplania, transportowany jest następnie rurociągami do magazynów podziemnych lub bezpośrednio do sieci dystrybucyjnej.
Procesy przeróbki gazu ziemnego obejmują przeróbkę zachowawczą gazu mokrego (gazu gazolinowego) w celu otrzymania węglowodorów czysto gazowych (metanu i etanu), węglowodorów w postaci gazu płynnego (propanu i butanu) i ciekłych węglowodorów benzynowych, czyli gazoliny (głównie pentanu i heksanu); oraz przeróbkę przetwórczą (głównie odwodornienie, procesy krakingowe) etanu, propanu, butanu oraz wyższych węglowodorów mającą na celu otrzymanie węglowodorów nienasyconych stanowiących surowiec do syntez chemicznych.
Zastosowanie gazu ziemnego
Gaz ziemny jest jednym z najważniejszych surowców energetycznych; wykorzystywany jest głównie jako paliwo do celów grzewczych w instalacjach domowych i przemysłowych, źródło energii w produkcji energii elektrycznej oraz paliwo do napędu samochodowych silników spalinowych. Gaz ziemny ma również zastosowanie w przemyśle chemicznym jako surowiec do otrzymywania acetylenu, cyjanowodoru, amoniaku, sadzy, wodoru i gazu syntezowego (mieszaniny tlenku węgla i wodoru) wykorzystywanego do produkcji metanolu, alkenów, kwasów karboksylowych oraz wielu innych związków organicznych. Gaz ziemny używany jest także do produkcji szkła, cementu i ceramiki budowlanej, stali, detergentów, włókien sztucznych, farb, plastiku i gumy syntetycznej.
