Aardgas
Achtergrond
Aardgas is een mengsel van brandbare gassen dat ondergronds wordt gevormd door de afbraak van organische materialen in plant en dier. Het wordt meestal gevonden in gebieden waar olie aanwezig is, hoewel er verschillende grote ondergrondse aardgasreservoirs zijn waar weinig of geen olie is. Aardgas wordt veel gebruikt voor verwarming en koken, maar ook voor een verscheidenheid aan industriële toepassingen.
Geschiedenis
Aardgas was bij de vroege mens bekend in de vorm van kwel uit rotsen en bronnen. Soms zouden bliksem of andere ontstekingsbronnen ervoor zorgen dat deze gaslekkages gaan branden, wat aanleiding geeft tot verhalen over vuur dat uit de grond komt. Rond 900
De Romeinen wisten ook van aardgas, en Julius Caesar zou getuige zijn geweest van een "brandende bron" in de buurt van Grenoble, Frankrijk. Religieuze tempels in het vroege Rusland werden gebouwd rond plaatsen waar brandend aardgas 'eeuwige vlammen' vormde.
In de Verenigde Staten vond het eerste opzettelijke gebruik van aardgas plaats in 1821 toen William Hart een put boorde om een ondiepe gaszak langs de oever van de Canadaway Creek bij Fredonia, New York, aan te boren. Hij leidde het gas door uitgeholde boomstammen naar een nabijgelegen gebouw waar hij het verbrandde voor verlichting. In 1865 werd de Fredonia Gas, Light and Waterworks Company het eerste aardgasbedrijf in de Verenigde Staten. De eerste gaspijpleiding over lange afstand liep in 1872 40 kilometer van een gasveld naar Rochester, New York. Ook deze gebruikte uitgeholde boomstammen voor pijpen. De ontwikkeling van de bunsenbrander door Robert Bunsen in 1885 leidde tot een interesse in het gebruik van aardgas als bron voor verwarming en koken, naast het gebruik voor verlichting. In 1891 werd een gasdepot onder hoge druk afgetapt in het centrum van Indiana en werd een pijpleiding van 192 km aangelegd om het gas naar Chicago, Illinois te brengen.
Ondanks deze vroege inspanningen beperkte het gebrek aan een goed distributiesysteem voor aardgas het gebruik ervan tot de lokale gebieden waar het gas werd gevonden. Het meeste gas dat naar de oppervlakte kwam als onderdeel van olieboringen in meer afgelegen gebieden, werd eenvoudigweg naar de atmosfeer afgevoerd of verbrand in gigantische fakkels die de olievelden dag en nacht verlichtten. Tegen de jaren 1910 realiseerden oliemaatschappijen zich dat deze praktijk hen potentiële winsten kostte en begonnen ze een agressief programma om gaspijpleidingen aan te leggen naar grote stedelijke gebieden in de Verenigde Staten. Pas na de Tweede Wereldoorlog had dit pijpleidingprogramma genoeg steden en dorpen bereikt om van aardgas een aantrekkelijk alternatief voor elektriciteit en steenkool te maken.
In 2000 waren er meer dan 600 aardgasverwerkingsfabrieken in de Verenigde Staten aangesloten op meer dan 300.000 mijl (480.000 km) van de belangrijkste transportpijpleidingen. Wereldwijd zijn er ook aanzienlijke aardgasvoorraden in de voormalige Sovjet-Unie, Canada, China en de Arabische Golfstaten in het Midden-Oosten.
Grondstoffen
Ruw aardgas bestaat uit verschillende gassen. Het hoofdbestanddeel is methaan. Andere componenten zijn ethaan, propaan, butaan en vele andere brandbare koolwaterstoffen. Ruw aardgas kan ook waterdamp, waterstofsulfide, koolstofdioxide, stikstof en helium bevatten.
Tijdens de verwerking kunnen veel van deze componenten worden verwijderd. Sommige, zoals ethaan, propaan, butaan, waterstofsulfide en helium, kunnen gedeeltelijk of volledig worden verwijderd om te worden verwerkt en verkocht als afzonderlijke goederen. Andere componenten, zoals waterdamp, kooldioxide en stikstof, kunnen worden verwijderd om de kwaliteit van het aardgas te verbeteren of om het gas gemakkelijker over grote afstanden door pijpleidingen te kunnen transporteren.
Het resulterende verwerkte aardgas bevat voornamelijk methaan en ethaan, hoewel er niet zoiets bestaat als een "typisch" aardgas. Bepaalde andere componenten kunnen aan het verwerkte gas worden toegevoegd om het speciale eigenschappen te geven. Er wordt bijvoorbeeld een chemische stof genaamd mercaptan toegevoegd om het gas een kenmerkende geur te geven die mensen waarschuwt voor een lek.
Het fabricageproces
De methoden voor het winnen, verwerken, transporteren, opslaan en distribueren van aardgas zijn afhankelijk van de locatie en samenstelling van het ruwe gas en de locatie en toepassing van het gas door de eindgebruikers. Hier is een typische opeenvolging van bewerkingen die worden gebruikt om aardgas te produceren voor verwarming en koken in huis.
Extraheren
- 1 Sommige ondergrondse aardgasreservoirs staan onder voldoende interne druk om het gas de put in te laten stromen en het aardoppervlak te bereiken zonder extra hulp. De meeste putten hebben echter een pomp nodig om het gas (en olie, indien aanwezig) naar de oppervlakte te brengen. De meest voorkomende pomp heeft een lange stang die diep in de put aan een zuiger is bevestigd. De staaf wordt afwisselend omhoog getrokken en terug in de put gedompeld door een balk die langzaam op en neer schommelt bovenop een verticale steun. Deze configuratie wordt vaak een paardenkoppomp genoemd omdat de vorm van het trekmechanisme aan het uiteinde van de schommelbalk lijkt op een paardenkop.
- 2 Wanneer het ruwe aardgas de oppervlakte bereikt, wordt het gescheiden van eventueel aanwezige olie en naar een nabijgelegen centrale gasverwerkingsinstallatie geleid. Enkele honderden bronnen kunnen allemaal in dezelfde plant terechtkomen.
Verwerking
- 3 Ongeveer 75% van het ruwe aardgas in de Verenigde Staten komt uit ondergrondse reservoirs waar weinig of geen olie aanwezig is. Dit gas is gemakkelijker te verwerken dan gas uit oliebronnen. Ongeacht de bron bevat het meeste ruwe aardgas vuil, zand en waterdamp, die vóór verdere verwerking moeten worden verwijderd om verontreiniging en corrosie van de apparatuur en pijpleidingen te voorkomen. Het vuil en zand worden verwijderd met filters of vallen in de buurt van de put. De waterdamp wordt gewoonlijk verwijderd door het gas door een toren gevuld met korrels van een vast droogmiddel, zoals aluminiumoxide of silicagel, of door een vloeibaar droogmiddel, zoals een glycol, te leiden. Nadat het is gereinigd en gedroogd, kan het ruwe gas verder worden verwerkt of kan het rechtstreeks naar een compressorstation worden gestuurd en in een hoofdtransportleiding worden gepompt.
- 4 Als het ruwe aardgas een grote hoeveelheid zwaardere koolwaterstofgassen bevat, zoals propaan en butaan, worden deze stoffen verwijderd om apart te worden verkocht. De meest gebruikelijke methode is om het ruwe gas omhoog te borrelen door een hoge, gesloten toren die een koude absorptieolie bevat, vergelijkbaar met kerosine. Wanneer het gas in contact komt met de koude olie, condenseren de zwaardere koolwaterstofgassen tot vloeistoffen en worden in de olie opgesloten. De lichtere koolwaterstofgassen, zoals methaan en ethaan, condenseren niet in vloeistof en stromen uit de top van de toren. Ongeveer 85% van het propaan en bijna alle butaan en zwaardere koolwaterstoffen worden op deze manier opgevangen. De absorptieolie wordt vervolgens gedestilleerd om de ingesloten koolwaterstoffen te verwijderen, die in een fractioneringstoren in afzonderlijke componenten worden gescheiden.
- 5 Op dit moment bevat het aardgas methaan, ethaan en een kleine hoeveelheid propaan die niet is opgesloten. Het kan ook verschillende hoeveelheden koolstofdioxide bevatten,
Een diagram dat de productie van aardgas van ondergrondse bron tot huishoudelijk gebruik weergeeft. waterstofsulfide, stikstof en andere materialen. Een deel van het ethaan wordt soms verwijderd om als grondstof in verschillende chemische processen te worden gebruikt. Om dit te bereiken, wordt de waterdamp in het gas verder verminderd met behulp van een van de verschillende methoden, en het gas wordt vervolgens onderworpen aan herhaalde compressie- en expansiecycli om het ethaan af te koelen en het als een vloeistof op te vangen. - 6 Sommige aardgassen bevatten een hoog percentage kooldioxide en waterstofsulfide. Deze chemicaliën kunnen reageren met de resterende waterdamp in het gas om een zuur te vormen, wat corrosie kan veroorzaken. Ze worden verwijderd door het gas door een toren omhoog te laten stromen, terwijl aan de bovenkant een spray van water gemengd met een oplosmiddel, zoals mono-ethanolamine, wordt geïnjecteerd. Het oplosmiddel reageert met de chemicaliën en de oplossing wordt via de bodem van de toren afgevoerd voor verdere verwerking.
- 7 Sommige aardgassen bevatten ook een hoog percentage stikstof. Omdat stikstof niet verbrandt, vermindert het de stookwaarde van het aardgas. Nadat het kooldioxide en waterstofsulfide zijn verwijderd, gaat het gas door een destillatieproces bij lage temperatuur om de stikstof vloeibaar te maken en te scheiden. Samen worden de processen in stap 6 en 7 soms het "upgraden" van het gas genoemd omdat het aardgas nu schoner is en heter zal branden.
- 8 Als heliumgas moet worden afgevangen, gebeurt dit nadat de stikstof is verwijderd. Dit omvat een complex destillatie- en zuiveringsproces om het helium te isoleren van andere gassen. Aardgas is de belangrijkste bron van industrieel helium in de Verenigde Staten.
Transporteren
- 9 Mercaptan wordt in het verwerkte aardgas geïnjecteerd om het een kenmerkende waarschuwingsgeur te geven, en het gas wordt naar een compressorstation geleid waar de druk wordt verhoogd tot ongeveer 200-1.500 psi (1.380-10.350 kPa). Het gas wordt vervolgens over het land getransporteerd via een van de vele grote pijpleidingen die ondergronds zijn geïnstalleerd. Deze pijpleidingen hebben een diameter van 20 tot 42 inch (51 tot 107 cm). Ongeveer elke 160 km verhoogt een andere compressor de gasdruk om kleine drukverliezen te compenseren die worden veroorzaakt door wrijving tussen het gas en de buiswanden. Hierdoor blijft het gas stromen.
- 10 Wanneer het aardgas onder druk in de buurt van zijn eindbestemming komt, wordt het soms weer in de grond geïnjecteerd voor opslag. Uitgeputte ondergrondse gas- en oliereservoirs, poreuze rotslagen die bekend staan als watervoerende lagen, of ondergrondse zoutcavernes kunnen worden gebruikt om het gas op te slaan. Dit zorgt voor een vlotte aanvoer tijdens de koudere wintermaanden.
Distributie
- 11 Wanneer gas nodig is, wordt het uit de ondergrondse opslag gehaald en door pijpleidingen getransporteerd met een druk tot 1.000 psi (6.900 kPa). Deze leidingen brengen het gas naar de stad of het gebied waar het gebruikt gaat worden.
- 12 De druk wordt verlaagd tot onder 60 psi (410 kPa) en het gas wordt verdeeld in ondergrondse leidingen die door het gebied lopen. Voordat het gas in elk huis of bedrijf wordt geleid, wordt de druk verder verlaagd tot ongeveer 0,25 psi (1,7 kPa).
Kwaliteitscontrole
Aardgas brandt gemakkelijk in de lucht en kan heftig exploderen als een grote hoeveelheid plotseling wordt ontstoken. Hele gebouwen zijn met de grond gelijk gemaakt door krachtige ontploffingen als gevolg van aardgaslekken. In andere gevallen zijn mensen gestikt in gesloten ruimten die langzaam gevuld werden met aardgas. Omdat aardgas reukloos is, wordt er stinkend mercaptaan aan het gas toegevoegd, zodat zelfs een klein lekje meteen opvalt. Om ondergrondse hogedrukgaspijpleidingen te beschermen, wordt een felgele plastic tape een paar meter boven de pijpleiding in de grond begraven om mensen te waarschuwen die in het gebied mogelijk aan het graven zijn. Op die manier zullen ze de tape blootleggen voordat ze daadwerkelijk de pijpleiding eronder raken. Als extra voorzorgsmaatregel worden over de gehele lengte van de leiding waarschuwingsborden op het maaiveld geplaatst.
De Toekomst
Omdat aardgas een schone verbranding is, wordt het beschouwd als een alternatieve brandstof voor motorvoertuigen. Auto's en vrachtwagens op gecomprimeerd aardgas (CNG) zijn in veel gebieden al op de weg. Bedrijven die industriële processen gebruiken die hoge temperaturen vereisen, kiezen ook voor aardgas in plaats van andere brandstoffen om de luchtvervuiling die door hun fabrieken wordt uitgestoten te verminderen. Dit omvat bedrijven die betrokken zijn bij de productie van staal, glas, keramiek, cement, papier, chemicaliën, aluminium en bewerkte voedingsmiddelen.
Productieproces