Краткая характеристика природного газа. Природный газ — сырье, а не готовое топливо

Зажигая горелку на кухне, мало кто из хозяек задумывается, как давно люди стали использовать природный газ в качестве топлива. Эта история насчитывает не века, а тысячелетия: в IV веке до н. э. китайцы обогревались и освещали жилища при помощи бездымного голубоватого огня.

В России промышленная разработка месторождений природного газа началась в прошлом веке, а до этого его находили только при добыче нефти или бурении скважин для воды.

Русская смекалка всегда помогала людям с пользой применять все, что встречается на пути. Когда в Саратовской губернии один купец начал бурить артезианскую скважину и обнаружил не воду, а огонь, он с выгодой воспользовался ситуацией и организовал там стекольное и кирпичное производство.

Другие промышленники переняли его опыт, и бесполезный подземный газ стал постепенно превращаться в ценное топливо.

Что такое природный газ

Одно из важнейших полезных ископаемых – природный газ, который используют и как топливо, и для нужд химической промышленности. Это бесцветное и не имеющее запаха вещество бывает очень опасным.

Без специальных приборов невозможно определить, что в воздухе присутсвует огнеопасный компонент, который может оказаться причиной пожара.

С точки зрения экологии газ – самое чистое природное топливо, ведь при горении он выделяет намного меньше вредных соединений, чем дрова, уголь или нефть.

Это качество делает его востребованным во всех странах мира. Государства, имеющие на своей территории крупные месторождения, используют его и для своих нужд, и для продажи другим народам. Природа подарила России богатейший Уренгой, Казахстану – Карачаганакское месторождение, не обделила она и страны Персидского залива, США, Канаду.

Недра земли создали не только огромные подземные резервуары природного газа – его запасы хранятся и в более компактном виде. В холодных регионах и под дном океана, где гидростатическое давление доходит до 250 атмосфер, происходит соединение газа с пластовой водой и образуется твердое вещество – газогидрат. В небольших объемах находится огромное количество природного топлива, в связанном виде газ уменьшается до 220 раз.

Происхождение природного газа

Сотни миллионов лет назад на месте сегодняшних материков плескался океан. Погибшие обитатели водной стихии падали на дно и превращались в ил. Они не могли разлагаться, поскольку там не было ни воздуха для окисления, ни бактерий, вызывающих гниение. Движение земной коры способствовало погружению этих масс все дальше вглубь. Высокое давление и температура вызывали химические реакции, при которых углерод органических остатков соединялся с водородом, и образовывались новые вещества – углеводороды.

Если давление и температура были не очень высокими, получались высокомолекулярные жидкости, которые со временем превратились в нефть. Когда эти параметры достигали больших величин, образовывались низкомолекулярные газы.

Соединения покрывались осадочными породами и оказались глубоко под поверхностью земли. Геологи находят эти полезные ископаемые на глубине от одного до шести километров.

Существует и другая теория образования природных газов. Некоторые ученые считают, что углеводороды в результате тектонических движений постепенно поднимаются наверх, где давление не так велико, и образуют большие скопления нефти и

Земные породы не монолитны – в них есть мелкие трещины и поры. Газообразные вещества заполняют эти пустоты, поэтому природный газ есть не только в , но и в камнях, находящихся на большой глубине.

Свойства природного газа

Природный газ не обособленное вещество – это смесь разных компонентов, основной из которых – метан.

Невозможно найти два абсолютно идентичных образца из разных месторождений: в каждом из них состав индивидуален.

Для его образования были использованы разные органические остатки, условия протекания химических реакций тоже не были одинаковыми.

Ни один ученый не сможет дать вам химическую формулу природного газа – он может только сообщить процентный состав входящих в него веществ. Дополнительными составляющими кроме метана являются углеводороды:

• этан;
• пропан;
• бутан;
• водород;
• сероводород;
• диоксид углерода;
• азот;
• гелий.

Из химического состава вытекают и физические свойства природного топлива. Точных параметров тоже нет, ведь они зависят от процентного соотношения компонентов:

• плотность – 0,68–0,85 кг/м3 в газообразном и 400 кг/м3 в жидком виде;
• самовозгорание – при температуре 650 °C;
• удельная теплота сгорания – 28–46 МДж/м³.

Поскольку природный газ почти в два раза легче воздуха, он поднимается вверх. Человек не может задохнуться, оказавшись на дне низины. Но есть другая опасность: если в воздухе присутствует от 5 до 15 % объема природного газа, смесь становится взрывоопасной.

На его основе разработана газотопливная система, применяемая в автомобилях. Октановое число природного газа, используемого в двигателях, – от 120 до 130.

Горение природного газа процесс достаточно сложный, при котором химическая энергия преобразуется в тепло. Горение бывает полным и неполным.

Необходимость очистки

На первый взгляд, в использовании газа нет ничего сложного. Проложить трубы, пробурить скважину – и голубое топливо, находящееся в недрах под большим давлением, само потечет к котлам и плитам. Но не все так просто – природный газ содержит примеси, которые могут причинить вред трубопроводам, приборам или здоровью людей.

В глубине земли много влаги, которая может вступать в химические реакции или создавать конденсат, а большое количество его мешает проходу газа. Сероводород вызывает ржавление металла, и оборудование быстро приходит в негодность. Чтобы удалить из сырья вредные компоненты, на месторождениях устанавливают специальные станции очистки.

Доставка

Газопроводы имеют протяженность много тысяч километров, начальной энергии потока не хватит, чтобы преодолеть такие расстояния.

Какими бы гладкими ни были внутренние поверхности, все равно возникает сила трения, газ теряет скорость и нагревается.

Существуют и другие способы транспортировки газа, но пока трубопроводы являются самыми экономичными.

Запах газа

Природный газ не имеет запаха, так почему же жильцы квартир сразу чувствуют, если где-то происходит утечка? Для нашей безопасности в голубое топливо добавляют специальные одоранты, малейшее присутствие которых чувствительно для обоняния человека. Обычно в этой роли выступают меркаптаны, имеющие настолько неприятный запах, что не заметить его невозможно.

На всем протяжении своей истории человечество обогревалось, сжигая различные виды топлива.

Если так подумать, то жить вообще опасно)
Надеюсь, что в скором времени популярными станут альтернативные источники энергии.. Запасы Земли не вечны — это следует помнить тоже, всему есть свое начало и конец.
А вот про парниковый эффект вообще штука интересная — ведь некоторые и опровергают, что это влияние антропогенных факторов, как вот деятельность производств и станций. Лично я не согласна с ними, все же человечество свою лепту в разгром планеты вносит ежеминутно..

Естественно, что природный газ оказывает меньшее влияние на планету при горении, нежели все те же дрова или уголь, но отрицать его вред и непосредственную опасность тоже не стоит. Прежде всего газ — это летучее вещество и неудачное его хранение или распространение может привести к ужасным, пагубным последствиям как для человека, так и для окружающего мира. Вся надежда на ученых, что вскоре они найдут решение, позволяющее защитить Землю от медленной гибели, предотвратив парниковый эффект…

Смесь углеводородов, предмет религиозного культа, спора ученых и важнейший сырьевой ресурс. Он невидим и не имеет запаха. В России его больше, чем где-либо в мире.

Из чего состоит природный газ

Основу природного газа составляет метан (CH 4) - простейший углеводород (органическое соединение, состоящее из атомов углерода и водорода). Обычно в его состав также входят более тяжелые углеводороды , гомологи метана: этан (C 2 H 6), пропан (C 3 H 8), бутан (C 4 H 10) и некоторые неуглеводородные примеси.

Природный газ может существовать в виде газовых залежей, находящихся в пластах некоторых горных пород, в виде газовых шапок (над нефтью), а также в растворенном или кристаллическом виде.

Запах газа

Что интересно, ни один из названных газов не имеет ни цвета, ни запаха. Характерный неприятный запах, с которым в быту сталкивался практически каждый человек, придается газу искусственно и называется одорацией. В качестве одорантов , то есть неприятно пахнущих веществ, обычно используют серосодержащие соединения. Человек может уловить запах одного из самых распространенных одорантов - этантиола - даже если одна часть этого вещества придется на 50 миллионов частей воздуха. Именно благодаря одорации можно легко устанавливать утечки газа.

Этап добавления одоранта
с неприятным запахом.

Природный газ без запаха

Природный газ
с неприятным запахом

Спор ученых

Относительно происхождения природного газа (как, впрочем, и нефти) среди ученых до сих пор не существует единого мнения. Две основные концепции - биогенная и минеральная - утверждают разные причины образования углеводородных полезных ископаемых в недрах Земли.

Минеральная теория

Образование полезных ископаемых в пластах горных пород - часть процесса дегазации Земли. Из-за внутренней динамики Земли углеводороды, находящиеся на больших глубинах, поднимаются в зону наименьшего давления, образуя в результате газовые и нефтяные залежи.

Биогенная теория

Живые организмы, погибшие и опустившиеся на дно водоемов, разлагались в безвоздушном пространстве. Опускаясь все глубже из-за геологических движений, остатки разложившейся органики превратились под воздействием термобарических факторов (температуры и давления) в углеводородные полезные ископаемые, в том числе - в природный газ.

Невидимые поры

Довольно распространено ложное представление о том, что газ находится под землей в неких пустотах, из которых легко полностью извлекается. На самом деле газ может находиться внутри горной породы, имеющей пористую структуру настолько мелкую, что человеческим глазом ее увидеть нельзя. Держа в руках кусок песчаника, извлеченного с огромной глубины, достаточно сложно представить, что внутри заключен природный газ.

Поклонение газу

Человечество знает о существовании природного газа давно. И, хотя уже в IV веке до н. э. в Китае его научились использовать для отопления и освещения, долгое время яркое пламя, не оставляющее пепла, являлось предметом мистического и религиозного культа для некоторых народов. Например, на Апшеронском полуострове (современная территория Азербайджана) в VII веке был воздвигнут храм огнепоклонников Атешгях, служения в котором проходили вплоть до XIX века.

Кстати, недалеко от храма Атешгях в 1859 году была совершена первая в России попытка (довольно кратковременная) использовать природный газ в промышленных целях - на нефтеперегонном заводе в Баку.

Термоламп и первый газ в России

История российской газовой промышленности начинается в 1811 году. Тогда изобретатель Петр Соболевский создал первую установку для получения искусственного газа - термоламп. Выступив с докладом об этом на заседании Всероссийского общества любителей словесности, наук и художеств, по указу Александра I Соболевский был награжден орденом за свое изобретение. А несколькими годами позже, в 1819 году, на Аптекарском острове в Санкт-Петербурге зажглись первые газовые фонари. Таким образом, история газовой промышленности в России началась почти 200 лет назад - в 2011 году у нее был юбилей.

В середине 20-х годов XX века во всем СССР было добыто 227,7 млн кубометров газа. В 2010 году Группой «Газпром» было добыто 508,6 млрд кубометров газа.

Россия занимает первое место в мире по объему запасов природного газа. Доля «Газпрома» в этих запасах составляет около 70%. Таким образом, «Газпром» располагает самыми богатыми в мире запасами природного газа.

С наступлением XX века началось активное развитие российской газовой промышленности: впервые разрабатывались газовые месторождения, утилизировался попутный (нефтяной) газ.

Русская смекалка

Однако до XX века в России природный газ являлся побочным продуктом при добыче нефти и назывался попутным газом. Не существовало даже самих понятий газового или газоконденсатного месторождений. Обнаруживались они случайно, например при бурении артезианских скважин. Однако известен случай, когда во время бурения такой скважины находчивый саратовский купец, увидев вместо воды пламя, построил на этом месте стекольный и кирпичный заводы. Промышленники постепенно начали осознавать, что природный газ может быть крайне полезен.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Природный газ – это смесь газов (органической и неорганической природы), образовавшихся в недрах Земли при анаэробном разложении органических веществ. Полезное ископаемое.

Значительная составляющая природного газа – метан (70 — 98%), затем идут этан, пропан и бутан; среди газов неорганической природы в состав природного газа могут входить моно- и диоксид углерода, азот, инертные газы, водород, сероводород. Химический состав природного газа (объемное содержание каждого из газов) может меняться в зависимости от месторождения.

Химические свойства природного газа

Поскольку природный газ представляет собой смесь газов, то невозможно указать, какие химические свойства для него характерны, т.к. для каждого вещества, входящего в его состав характерны свои, особые химические свойства. Однако, можно сказать, что для природного газа характерно горение, причем из всех веществ, входящих в состав природного газа на воздухе сгорают только углеводороды (метан, этан и т.д.) и монооксид углерода. Продукты реакции горения природного газа:

CH 4 + 2O 2 = CO 2 +2H 2 O;

2C 2 H 6 + 7O 2 = 4CO 2 + 6H 2 O;

2C 3 Н 8 + 10O 2 = 6CO 2 + 8H 2 O;

2CO + O 2 = 2CO 2 .

Физические свойства природного газа

Природный газ при нахождении в недра Земли может находится в газообразном состоянии (газовые залежи), в виде газовой «шапки» нефтегазовых месторождений, в растворенном виде в нефти или в воде. Чистый природный газ не обладает запахом и цветом. Температура возгорания природного газа 650С. Природный газ в 1,8 газ легче воздуха.

Получение природного газа

Природный газ добывают из недр Земли с помощью скважин. Газ выходит из недр вследствие того, что в пласте находится под давлением, многократно превышающем атмосферное. Таким образом, движущей силой является разность давлений в пласте и системе сбора.

Применение природного газа

Основное направление использования природного газа — в качестве горючего для отопления жилых домов, подогрева воды и приготовления пищи; в качестве топливо для машин, котельных, ТЭЦ и др. Также, природный газ используют в химической промышленности (сырьё для получения различных органических веществ).

Примеры решения задач

ПРИМЕР 1

Задание	природный газ одного из месторождений содержит 85% метана, 6% этана, 3% оксида углерода (II), 4,5% углекислого газа, 1,5% азота и инертных газов по объему. Какой объем воздуха потребуется для сжигания 1м 3 этого газа. Объемная доля кислорода в воздухе – 21%.
Решение	Сжигание природного газа на воздухе происходит из-за окислительной способности кислорода, входящего в его состав. Среди газов, входящих в состав природного газа реакции горения подвергаются только углеводороды и оксид углерода (II). Запишем уравнения реакций горения этих газов в кислороде. 2CO + O 2 = 2CO 2 (3). V(CH 4) = 1000×0,85 = 850 л; V(C 2 H 6) = 1000×0,06 = 60 л; V(CО) = V gas ×φ (CО)/100%; V(CО) = 1000×0,03 = 30 л. По 1 уравнению n(CH 4) : n(O 2) = 1:2, следовательно, n(O 2) = 2× n(CH 4) = 2× 850 /22,4 = 76 моль. Тогда объем кислорода, необходимый для сжигания 850 л метана: V(O 2) 1 = 76×22,4 = 1702 л. По 2 уравнению n(C 2 H 6) : n(O 2) = 2:7, следовательно, n(O 2) = 7/2× n(C 2 H 6) = 7/2× 60 /22,4 = 9,4 моль. Тогда объем кислорода, необходимый для сжигания 850 л метана: V(O 2) 2 = 9,4×22,4 = 210,6 л. По 3 уравнению n(CО) : n(O 2) = 2:1, следовательно, n(O 2) = 1/2× n(CО) = 1/2× 30 /22,4 = 0,7 моль. Тогда объем кислорода, необходимый для сжигания 850 л метана: V(O 2) 3 = 0,7×22,4 = 15,7 л. V sum = V(O 2) 1 + V(O 2) 2 + V(O 2) 3 = 1702 + 210,6 + 15,7 = 1928,3 л. Т.к. объемная доля кислорода в воздухе 21%, то объем воздуха, необходимый для сжигания природного газа: V = V(O 2) sum / 0,21 = 1928,3 / 0,21 = 9182 л = 0,9182 м 3 .
Ответ	Объем воздуха – 0,9182 м.

ПРИМЕР 2

Задание	природный газ одного из месторождений содержит 92% метана, 4% этана, 7% пропана, 2% углекислого газа и 1% азота. Какой объем кислорода потребуется для сжигания 200л этого газа.
Решение	Среди газов, входящих в состав природного газа реакции горения в кислороде подвергаются только углеводороды. Запишем уравнения реакций горения этих газов в кислороде. CH 4 + 2O 2 = CO 2 +2H 2 O (1); 2C 2 H 6 + 7O 2 = 4CO 2 + 6H 2 O (2); 2C 3 Н 8 + 10O 2 = 6CO 2 + 8H 2 O (3). Найдем объемы сгорающих газов, зная их объемные доли (см. условие задачи): V(CH 4) = V gas ×φ (CH 4)/100%; V(CH 4) = 200×0,92 = 184 л; V(C 2 H 6) = V gas ×φ (C 2 H 6)/100%; V(C 2 H 6) = 200×0,04 = 8 л; V(C 3 Н 8) = V gas ×φ (C 3 Н 8)/100%; V(C 3 Н 8) = 200×0,01 = 2 л. По 1 уравнению n(CH 4) : n(O 2) = 1:2, следовательно, n(O 2) = 2× n(CH 4) = 2× 184 /22,4 = 16 моль. Тогда объем кислорода, необходимый для сжигания 850 л метана: V(O 2) 1 = 16×22,4 = 358,4 л. По 2 уравнению n(C 2 H 6) : n(O 2) = 2:7, следовательно, n(O 2) = 7/2× n(C 2 H 6) = 7/2× 8 /22,4 = 1,25 моль. Тогда объем кислорода, необходимый для сжигания 850 л метана: V(O 2) 2 = 1,25×22,4 = 28 л. По 3 уравнению n(C 3 Н 8) : n(O 2) = 2:10, следовательно, n(O 2) = 5× n(C 3 Н 8) = 5× 2 /22,4 = 0,4 моль. Тогда объем кислорода, необходимый для сжигания 850 л метана: V(O 2) 3 = 0,4×22,4 = 8,96 л. Суммарный объем кислорода, затраченный на сжигание природного газа составит: V sum = V(O 2) 1 + V(O 2) 2 + V(O 2) 3 = 358,4 + 28 + 8,96 = 395,36 л.
Ответ	Объем кислорода — 395,36 л.

Природный газ является смесью из определенных разновидностей газа, которые образуются глубоко в земле после разложения осадочных органических пород. Это полезное ископаемое, которое должно добываться вместе с нефтью или в качестве самостоятельного вещества.

Свойства природного газа

В естественном состоянии газ представлен в виде отдельных скоплений. Их принято называть газовыми залежами, которые скапливаются в земных недрах, как газовые шапки. Природный газ в некоторых случаях может находиться в глубоких слоях земли в состоянии полного растворения - это нефть или вода. Стандартные условия для образования газа - это наличие температурного режима в двадцать градусов и давление около 0,101325 Паскаля. Стоит отметить, что представленное полезное ископаемое из природного месторождения добывается только в газообразном состоянии - газогидраты.

Главные свойства природного газа - это отсутствие всякого запаха и цвета. Чтобы определить утечку, можно добавить такие вещества, как одоранты, которые имеют сильно выраженный и характерно неприятный запах. В большинстве случаев одорант заменяют на этил-меркаптан. Природный газ достаточно широко используют в качестве топлива на электрических станциях, в черной и цветной металлургии, цементных и стекольных промышленных предприятиях. Он может пригодиться во время производства строительных материалов, для коммунальных и бытовых нужд, а также в качестве уникального сырья для получения органических соединений при синтезе.

В каком состоянии транспортируется газ?

Чтобы значительно упростить задачу транспортировки и дальнейшего хранения газа, его необходимо сжижать. Дополнительное условие - это охлаждение природного газа, если есть постоянное повышенное давление. Свойства природного газа предоставляют возможности для перевозки его в обычных баллонах.

Для транспортировки газа в баллоне его необходимо разделить, после чего он будет состоять в большей части из пропана, а также включать в себя более тяжелые углеводороды. Это происходит потому, что метан и этан не могут находиться в жидких состояниях, особенно если воздух достаточно теплый (18-20 градусов). При транспортировке природного газа необходимо соблюдать все требования и установленные нормы. В противном случае можно столкнуться с взрывоопасными ситуациями.

Что собой представляет сжиженный природный газ?

Сжиженный газ является определенным состоянием природного газа, который охладили при помощи давления. Сжиженный природный газ приводится в такое состояние для того, чтобы его было легче хранить, и он не занимал много места при транспортировке. Таким образом, его можно доставить до конечного потребителя. Плотность газа в два раза меньше плотности бензина. В зависимости от состава его температура кипения может достигать до 160 градусов. Коэффициент сжижения или экономический режим составляет до 95 процентов.

Газ, который находится в скважинах, необходимо тщательным образом подготовить для дальнейшей транспортировки, чтобы привезти его на предприятия. Это могут быть химические заводы, котельные, а также городские газовые сети. Важность правильной подготовки заключается в том, что в природном газе находятся разнообразные примеси, которые вызывают определенные затруднения во время его транспортировки и применения.

Как добывается газ на территории России

Природный газ образуется в процессе смешивания разнообразных видов газа, которые находятся в земной коре. Глубина может достигать почти 2-3 километра. Газ может появиться в результате высокого температурного режима, а также давления. Но доступ кислорода к месту добычи должен полностью отсутствовать.

Добыча природного газа на территории Российской Федерации осуществляется сегодня в самой глубокой скважине. Она располагается возле города Новый Уренгой, где скважина уходит вглубь почти на шесть километров. Газ в этих недрах находится под сильным и высоким давлением. Правильная добыча природного вещества - это бурение скважин. В местах, где есть газ, ставят несколько скважин. Специалисты стараются выполнить бурение равномерно, чтобы пластовые давления имели одинаковое распределение.

Химический состав природного газа

Газ, который добывают из природных месторождений, состоит из углеводородных и не углеводородных компонентов. Природный газ - это метан, который включает в себя более тяжелые гомологи - этан, пропан и бутан. В некоторых случаях можно встретить природное вещество, в котором есть пары пентана и гексана. Углеводород, который содержится в залежах, принято считать тяжелым. Он может образовываться исключительно в процессе образования нефти, а также при преобразовании рассеянных органических веществ.

Помимо углеводородных компонентов, в природном газе имеются примеси диоксида углерода, азота, сероводорода, гелия и аргона. В газонефтяных месторождениях в некоторых случаях присутствуют жидкие пары.