В данной статье расскажем о том, из чего состоит природный газ. Эти знания помогут в вопросах обеспечения пожарной безопасности объектов, на которых он применяется. Ведь только владея информацией об основных компонентах и составляющих, имеющихся в природном газе, можно понять, как и при каких условиях он может возгораться и взрываться, а также, что необходимо делать, чтобы этого не допустить.
Основным компонентом природного газа является метан. Это вещество состоит из одной молекулы углерода и четырех молекул водорода, его химическая формула — СН4. В зависимости от месторождения содержание метана может быть различным — от 85 до 99 %. Например, газ многих западносибирских чисто газовых месторождений на 98–99 % состоит из метана. В газоконденсатных залежах, кроме метана, находится значительное количество этана, пропана, бутана и других более тяжелых углеводородов, вплоть до бензиновых и керосиновых фракций. В качестве примера: содержание метана в Вуктыльском газоконденсатном месторождении — 84,5 %.
Тяжелые углеводородные газы
Кроме метана, в состав природных газах входит некоторое количество более тяжелых углеводородных газов: этана, пропана, бутана, а также легколетучего пентана. Эти вещества, как и метан, относятся к алканам — насыщенным углеводородам, образующим гомологический ряд с общей формулой CnH2n+2. Метан является простейшим представителем алканов. Самый сложный синтезированный углеводород — нонаконтатриктан C390H782. Если метан при нормальных условиях — газ, а температура его плавления составляет минус 184,5 °С, то вышеназванный нонаконтатриктан представляет собой твердое вещество — бесцветные кристаллы с температурой плавления плюс 132 °C.
Химическая формула этана — С2Н6. Он служит сырьем для получения этилена, из которого, в свою очередь, производят широкий ряд органических соединений, прежде всего полиэтилен. Из этого полимера изготавливают упаковочную пленку и тару, электро- и теплоизоляционные материалы, трубы и предметы домашнего обихода. Полиэтилен — самый популярный пластик, его производство растет с каждым годом. В настоящее время ПАО «Газпром» строит в Ленинградской области комплекс по переработке этансодержащего газа. После ввода в эксплуатацию предприятие будет ежегодно перерабатывать 45 млрд м3 газа, производить 3,8 млн т этана, который планируется поставлять на газохимический комплекс, выпускающий свыше 3 млн т полимеров в год.
Этан служит индикатором, позволяющим определить происхождение горючего газа при его обнаружении в подземных сооружениях. Дело в том, что при разложении органических остатков образуется так называемый болотный газ, который может проникать в подвалы жилых домов, тепловые камеры, газовые колодцы и т. д. Присутствие этана в отобранной из сооружения пробе говорит о том, что газ поступил по трубопроводам. Если этана нет, то газ образовался при гниении органики. Интересный факт: на поверхности спутника Сатурна Титане (рис. 2) в условиях экстремально низких температур, достигающих минус 180 °C, плещутся озера и реки из жидкой смеси метана и этана.
Следующие углеводороды, содержащиеся в природных газах, — пропан и бутан. Химическая формула первого — С3Н8, второго — С4Н10. В чисто газовых месторождениях пропана и тем более бутана совсем немного — сотые доли процента. В газоконденсатных залежах их уже намного больше, вплоть до нескольких процентов, в попутных нефтяных газах содержание может доходить до десятков процентов. Пропан вместе с бутаном составляет основу сжиженного углеводородного газа (далее – СУГ), газообразного топлива, применяемого в быту и на транспорте, при газовой резке металлов и в других промышленных целях. В России ежегодно производится 17 млн т СУГ. Половина используется внутри страны, остальная отправляется на экспорт.
Пентан с химической формулой С5Н12 имеет три изомера: нормальный пентан, изопентан и неопентан. Если первые два являются легколетучими жидкостями, то неопентан — бесцветный газ.
Иные компоненты
Кроме углеводородов, в природном газе могут содержаться в незначительных количествах другие горючие газы: водород и оксид углерода. Из-за малой концентрации они не играют сколько-нибудь значительной роли в формировании теплотворной способности голубого топлива. В природном газе также присутствуют негорючие компоненты: азот, кислород, углекислый газ, а также механические примеси. Чем их меньше, тем лучше. С увеличением доли негорючих компонентов теплота сгорания газового топлива уменьшается.
Отдельно хочется сказать о сероводороде, состоящем из атома серы и двух атомов водорода, химическая формула — H2S. Он встречается в попутных нефтяных и природных газах. Это газ с резким характерным запахом гниющего мяса. Сернистые соединения в природном газе вызывают коррозию латунных и алюминиевых деталей газового оборудования. При сжигании такого газа образуется сернистый газ SO2, который при высоких температурах окисляется до сернистого ангидрида SO3. Последний при взаимодействии с парами воды, содержащимися в продуктах сгорания, образует серную кислоту. В результате происходит разрушение теплообменников водонагревателей, использующих природный газ. Исходя из вышеизложенного понятно, что сероводород является вредной примесью. Вместе с тем его содержание в газе Оренбургского месторождения составляет 2,6 %. Аналогичная ситуация с Астраханским месторождением. Если такой газ напрямую подать потребителям, он принесет больше вреда, чем пользы. Поэтому от сероводорода избавляются, получая полезный продукт, — серу.
Получение серы как продукта очистки газа осуществляется на Астраханском и Оренбургском газоперерабатывающих заводах, входящих в ПАО «Газпром». На Астраханском заводе первая товарная сера получена в 1987 году. На проектную мощность предприятие вышло в 2002 году, перерабатывая ежегодно 12 млрд м3 газового сырья.
Еще один ценный компонент — гелий. Его извлечение из природного газа осуществляется на Амурском газоперерабатывающем заводе, входящем в состав ПАО «Газпром». После выхода на проектную мощность Амурский завод станет крупнейшим в мире, производя ежегодно до 60 млн м³ гелия.
И немного про газохимию
Роль природного газа как основного топливного ресурса России широко известна. Между тем около 10 % добываемого в нашей стране природного газа идет на переработку. Например, из него производится большая часть аммиака. ПАО «Тольяттиазот» ежегодно выпускает 3 млн т этого вещества, находящего применение в производстве удобрений, азотной кислоты, в качестве хладагента в холодильных установках. Из метана производят метанол, служащий сырьем для изоляционных материалов, лаков, красок, клеев, присадок для топлива, уксусной кислоты. Природный газ необходим при производстве газовой сажи, применяемой в резинотехнической и шинной промышленности, для изготовления черной краски. На наших глазах газохимия становится столь же значимой отраслью экономики, как и нефтехимия.
О плотности основного компонента природного газа метана, его температуре кипения, ПДК и иных физическо-химические свойствах, а также о том, как они влияют на особенности его транспортировки и применения вы узнаете в нашей следующей статье.