Физические свойства природного газа. Использование природного газа

Природный газ в сырьевой и энергетической базе любой страны, в том числе и России, занимает особое место. Этот вид топлива отличается низкими издержками добычи, хранения и транспортировки и при этом высокими потребительскими качествами. Каковы физические свойства природного газа и сфера его применения — об этом читайте далее в статье.

Немного истории

Обогревать и освещать свои жилища с использованием природного газа человек начал еще в древности. Первыми применять для этой цели голубое топливо научились китайцы. Еще в IV тыс. до н. э. на территории Поднебесной люди отапливали дома с использованием такого огня.

Собственно, само слово «газ» было придумано в 1600 г. голландским ученым Гельмонтом. По сути, оно представляет собой искаженное греческое слово «хаос», в переводе означающее «сияющее пространство».

Что собой представляет

Формула природного газа выглядит следующим образом: СН4. Представляет собой этот вид топлива, по сути, обычное полезное ископаемое. Добывают природный газ в земле там, где миллионы лет назад плескался доисторический океан. Тысячи и тысячи погибших обитателей водной стихии падали на дно и постепенно превращались в ил. Разлагаться должным образом они при этом не могли из-за недостатка кислорода и отсутствия бактерий.

Из-за подвижек земной коры такие отложения постепенно погружались все глубже и глубже, подвергаясь воздействию высоких температур и давления. В результате в таких массах начинали происходить реакции, при которых углерод органики соединялся с водородом. При не очень высоких температурах при этом образовывалась нефть. При повышении же этого параметра органика превращалась в природный газ, физические свойства которого ныне позволяют использовать его в самых разных сферах человеческой жизни.

Как добывают

Залегает этот вид топлива в природе, таким образом, обычно на очень большой глубине в земле. В большинстве случаев природный газ, как и нефть, добывают методом бурения скважин. Также это полезное ископаемое может подниматься на поверхность со дна морей и океанов со специальных платформ. Иногда для добычи голубого топлива используют и метод гидроразрыва. В этом случае в земле сначала бурят скважину. Затем в нее накачивают большое количество воды или воздуха. В результате перегородки, имеющиеся в горных породах, разрушаются и метан начинает поступать на поверхность.

Сфера использования природного газа

Газовая промышленность во многих странах является одним из основных источников дохода государства. Именно таким образом дело обстоит в том числе и в России. Природного газа в нашей стране добывается много. Очень широка и сфера использования голубого топлива у нас в стране. Большая часть природного газа в РФ идет, конечно же, на отопление жилищ. На настоящий момент у нас в стране метан потребляют в коммунальной сфере более чем в 2 тыс. городов и 3,5 тыс. поселков.

Удельная теплота сгорания природного газа достаточно высока. Поэтому его в нашей стране широко используют, не только для отопления, но и для термической обработки пищевых продуктов.

Также голубое топливо является востребованным:

• в металлургической и цементной промышленности;
• в легкой и пищевой.

Помимо этого, такое полезное ископаемое широко используется в химической промышленности в качестве сырья. Работать на газу сегодня может не только разного рода отопительное и нагревательное оборудование, но и, к примеру, автомобили. Для двигателей легковых и грузовых машин такое топливо используется в сжиженном виде. При этом стоит газ дешевле бензина и солярки и к тому же отличается меньшей пожароопасностью.

Состав природного газа

Компонентами голубого топлива является сразу несколько веществ. Химический состав природного газа и свойства этого вещества, конечно же, напрямую взаимосвязаны. Образуется этот вид топлива из органики. Поэтому больше всего такой газ содержит углеводородов. Основным же компонентом голубого топлива является метан. Его в состав такого газа входит порядка 98%. Также компонентами этого полезного ископаемого являются:

• этан;
• бутан;
• пропан.

В небольших количествах природный газ содержит также неуглеводородные вещества:

• водород;
• диоксид углерода;
• сероводород;
• гелий;
• азот.

Какие виды существуют

В быту и промышленности используется в основном именно образовавшееся на месте океанов миллионы лет назад в толще земли топливо. Формула у природного газа, широко эксплуатируемого человеком, как мы выяснили — СН4. Такой вид топлива может быть обычным или сжиженным.

Также различают следующие виды природного газа:

• нефтяной;
• болотный;
• сланцевый;
• угольный и коксовый.

Некоторые из этих веществ могут также применяться человеком, к примеру, в промышленности. Однако эксплуатируются эти разновидности все же гораздо реже, чем метановый природный газ.

Основные физические свойства

Отличительной особенностью природного газа, помимо всего прочего, является то, что он не имеет цвета и запаха. Также этот вид топлива не относится к группе токсичных или ядовитых веществ. Однако природный газ при этом все же является веществом пожаро- и взрывоопасным. Перед использованием, к примеру, для обогрева домов в него в обязательном порядке добавляют особые летучие вещества, придающие ему запах. Такая мера позволяет быстро выявлять утечки и принимать соответствующие меры.

Основные физические свойства природный газ имеет следующие:

• плотность — 0.72 кг/м3;
• температура, развиваемая при сгорании — 1600-2000 °С;
• температура воспламенения — 645 °С;
• теплотворная способность — 8500 Ккал при сгорании 1 м3.

Плотность у метана ниже, чем у воздуха. Поэтому при утечке он поднимается вверх и через некоторое время рассеивается. Удельная теплота сгорания природного газа равна 50 Мдж/кг.

Какими еще характеристиками отличается

Метан, как уже упоминалось, является веществом взрывоопасным. Именно поэтому при использовании природного газа положено соблюдать определенные меры по недопущению его возгорания. В любом случае оборудование, предназначенное для транспортировки, закачки и эксплуатации голубого топлива должны быть максимально надежным и иметь большой запас прочности.

Известно, что взрывоопасным является не собственно сам природный газ, а его смеси с воздухом. При концентрации этого летучего вещества менее 5% и более 15% в помещении может возникнуть пожар. Однако опасности взрыва в данном случае не существует. Такое развитие событий возможно только при концентрации метана в диапазоне именно от 5 до 15%.

При сжигании природного газа образуются такие, к примеру, вещества, как СО2, толуол, бензол, диоксид азота и пр. При неполном сгорании этого вида топлива, помимо всего прочего, помещение может заполнить и опасный для жизни человека угарный газ.

Интересной особенностью метана, помимо всего прочего, является и то, что он способен достаточно легко и быстро переходить в жидкое состояние. Для этого газу нужно просто создать особые условия. Переходит это вещество в жидкое состояние при атмосферном давлении в 720 мм Hg. ст. и температуре -162 °С.

Помимо всего прочего, имеет и такие природный газ физические свойства:

• плотность в жидком состоянии — 400 кг/м3.
• давление взрывной волны — 8,5 кг/см2;
• скорость взрывной волны — 1,5-3,5 км/с.

Как уже упоминалось, природный газ в сжиженном состоянии, помимо всего прочего, может использоваться и в качестве автомобильного топлива. В данном случае он закачивается в баллоны, которые затем включаются в топливную систему машины. Октановым числом этот вид автомобильного топлива характеризуется в 120-130.

Каким образом может транспортироваться

Перемещают добытый из недр природный газ к разного рода потребителям, как и нефть, обычно по проложенным под землей магистралям. По трубам голубое топливо перекачивается при этом под давлением в 75 атм. Диаметр магистрали для газа обычно имеют в 1,42 м.

По всей протяженности трубопровода, предназначенного для транспортировки голубого топлива, на некотором расстоянии друг от друга оборудуются компрессорные станции. Дело в том, что, проходя по магистралям, природный газ постепенно теряет потенциальную энергию. На компрессорных станциях поэтому топливо подвергается дожиму для создания необходимого давления.

По воде транспортироваться природный газ может и в специальных танкерах. В таких судах газ перевозят в сжиженном состоянии. Иногда этот вид топлива может транспортироваться и в железнодорожных цистернах.

Каким образом производится подготовка к транспортировке и использованию

Добытый в недрах природный газ обычно содержит, помимо всего прочего, влагу. Это, в свою очередь, может вызвать серьезные затруднения при эксплуатации голубого топлива. При определенных условиях влага в природном газе начинает конденсироваться. А это, в свою очередь, может привести к коррозии стенок трубопровода. В морозы же влага в магистралях легко образует ледяные пробки, что конечно же, является недопустимым.

Чтобы избежать возникновения подобных проблем, природный газ после добычи обычно подвергается осушке. Для этого на предприятии снижают температуру точки росы на 5-7 °С ниже рабочей в магистрали.

Также перед подачей потребителю природный газ может очищаться от сероводорода и углекислого газа. Первого в голубом топливе, согласно нормативам, должно содержаться не более 2 г на 100 м3. При этом очистка природного газа от углекислого производится обычно с целью снижения концентрации последнего до 2%.

Одоризация

Запаха природный газ, как мы выяснили не имеет. Однако утечки его могут быть на самом деле очень опасными. Накапливаясь в ограниченном стенами помещении, природный газ способен вызывать у человека удушье. Происходит это из-за недостатка кислорода. Температура сгорания у природного газа выше, чем у того же бензина. Однако, как мы выяснили, голубое топливо является ко всему прочему еще и веществом взрывоопасным.

Для выявления утечек природный газ подвергается одоризации. Для того чтобы топливо приобрело легко уловимый запах, в него в большинстве случаев добавляют этил-меркаптан. По степени токсичности этот газ идентичен сероводороду и имеет такой же резкий и неприятный запах.