گاز طبیعی یک سوخت فسیلی گازی‌شکل و غنی از هیدروکربن‌ها است که عمدتاً از گاز متان (CH₄) تشکیل شده و در لایه‌های زیرزمینی، میدان‌های نفتی، گاز طبیعی و حتی در لایه‌های زغال‌سنگ یافت میشود. گاز طبیعی به دلیل ویژگی‌های زیست‌محیطی و عملکرد بالا، به‌عنوان سوختی پاک، مؤثر و نسبتاً ایمن شناخته میشود و در سراسر جهان برای کاربردهایی چون پخت‌وپز، گرمایش، تولید برق و به‌طور فزاینده‌ای در صنعت حمل‌ونقل به کار می‌رود.
سیلندر گاز متان
تاریخچه گاز طبیعی
اولین چاه ثبت‌شده گاز طبیعی در سال ۱۸۲۱ توسط ویلیام هارت، که به‌عنوان «پدر گاز طبیعی آمریکا» شناخته میشود، در فردونیا ایالات متحده حفاری شد. در ابتدا، استفاده از گاز طبیعی به دلیل نبود زیرساخت‌های انتقال ایمن، محدود به مصارف محلی همچون روشنایی بود. اما پس از جنگ جهانی دوم، با توسعه فناوری خطوط لوله، استفاده گسترده و صنعتی از گاز طبیعی آغاز شد. در بسیاری از کشورهای آسیایی، که همچنان بخش زیادی از برق خود را از ذغال‌سنگ تولید می‌کنند، گاز طبیعی به‌عنوان گزینه‌ای عملی برای جایگزینی سوخت‌های آلاینده و دستیابی به امنیت انرژی مطرح است.
گاز طبیعی عمدتا شامل چه ترکیباتی هست؟
متان جزء اصلی ترکیبات هیدروکربنی گاز طبیعی است و معمولاً ۷۵٪ تا ۹۰٪ از کل ترکیب را شامل میشود. سایر اجزای آن شامل اتان، پروپان، بوتان، پنتان و ترکیبات غیر هیدروکربنی مانند دی‌اکسید کربن (CO₂)، نیتروژن، هیدروژن سولفید (H₂S) و گاهی هلیوم است. اگرچه ترکیب گاز طبیعی خام از یک منبع به منبع دیگر متفاوت است، اما گاز تحویلی به شبکه‌های انتقال به‌طور دقیق تصفیه و کنترل میشود.
در حالت خالص، گاز طبیعی بی‌رنگ، بی‌بو و بی‌شکل است. برای شناسایی نشت، معمولاً ماده‌ای با بوی تند مانند مرکاپتان به آن افزوده میشود.
مزایای استفاده از گاز طبیعی در مقایسه با ذغال سنگ چیست؟
گاز طبیعی به‌ویژه در مقایسه با ذغال‌سنگ و نفت خام، آلایندگی کمتری دارد. هنگام احتراق، میزان انتشار دی‌اکسید گوگرد و اکسیدهای نیتروژن در آن بسیار کمتر است و همین موضوع آن را به گزینه‌ای مطلوب برای کاهش آلودگی هوا و مقابله با اثرات مخرب تغییرات اقلیمی تبدیل کرده است.
این سوخت نقش مهمی در کاهش مشکلات زیست‌محیطی نظیر باران اسیدی، آسیب به لایه اُزون و گرمایش جهانی ایفا می‌کند و به همین دلیل از آن به‌عنوان» سوخت ایده‌آل« یاد میشود. همچنین توسعه فناوری‌هایی مانند جذب و ذخیره‌سازی کربن (CCS) می‌تواند نقش گاز طبیعی را در آینده‌ای با کربن کمتر تقویت کند.
روش های تولید و منشاء گاز طبیعی
گاز طبیعی به چه روشهایی تولید میشود؟
متانوژنز میکروبی (بیولوژیکی)
در محیط‌های بی‌هوازی مانند رسوبات، لایه‌های ذغال‌سنگ، شیل‌های آلی، مرداب‌ها و اعماق زمین، میکروارگانیسم‌هایی به نام متانوژن‌ها توانایی تولید متان را دارند. این فرآیند در نتیجه تجزیه ترکیبات آلی ساده صورت می‌گیرد و شامل دو مسیر اصلی است:
کاهش دی‌اکسیدکربن با هیدروژن (مسیر هیدروژنوتروفیک):
CO₂ + 4H₂ → CH₄ + 2H₂
تخمیر استات (مسیر استاتوتروفیک):
CH₃COOH → CH₄ + CO
این روش تولید گاز، در دماهای پایین‌تر (زیر ۵۰ درجه سانتی‌گراد) انجام میشود و نقش مهمی در تولید متان در منابع سطحی و کم‌عمق دارد.
تولید ترموژنیک
در اعماق زمین، مواد آلی مدفون در لایه‌های رسوبی تحت فشار و دمای بالا به مرور زمان به گاز تبدیل می‌شوند. این فرآیند که ترموژنیک نام دارد، منجر به تولید متان، اتان، پروپان و سایر هیدروکربن‌ها میشود. دمای بهینه برای تولید متان ترموژنیک معمولاً بین ۱۵۷ تا ۲۲۱ درجه سانتی‌گراد است. این نوع گاز معمولاً در میادین گازی عمیق و همراه با سایر هیدروکربن‌های سنگین یافت میشود.
روشهای شناسایی منشاء گاز طبیعی به چه صورت میباشد؟
نسبت ترکیبات هیدروکربنی
نسبت متان به اتان و پروپان (C₁/(C₂ + C₃)) به عنوان شاخصی برای تشخیص منشأ گاز استفاده میشود:
بیوژنیک: نسبت بالاتر از 1000، نشان‌دهنده گاز متان خالص و فقدان هیدروکربن‌های سنگین.
ترموژنیک: نسبت کمتر از 100، بیانگر وجود هیدروکربن‌های سنگین‌تر.
آنالیز ایزوتوپی
ایزوتوپهای پایدار کربن (δ¹³C)
این پارامتر بر اساس میزان ایزوتوپ ¹³C در متان تعریف میشود:
اندازه‌گیری δ¹⁵N در گاز طبیعی می‌تواند اطلاعاتی درباره منشأ نیتروژن و ارتباط آن با دیاژنز مواد آلی فراهم کند. این مقدار معمولاً در محدوده 1.8 تا 4.6% برای گازهای با منشأ بیوژنیک گزارش شده است.
ایزوتوپهای گازهای نجیب
گازهای نجیب مانند He، NeوAr واکنش‌پذیری شیمیایی ندارند و بنابراین برای ردیابی مسیرهای مهاجرت گاز، تفکیک منشأ فسیلی، رادیوژنیک یا نوکلئوژنیک آن استفاده می‌شوند. نسبت‌های بین ایزوتوپهای سنگین و سبک مانند (Xe/He) می‌توانند نشانه‌ای از نشتی یا مهاجرت گاز باشند.
ایزوتوپهای دسته‌ای (Clumped Isotopes)
این روش شامل مطالعه مولکول‌هایی است که بیش از یک ایزوتوپ کمیاب دارند. بررسی این ایزوتوپ‌ها اطلاعاتی درباره دمای تشکیل گاز و مختلط بودن منابع آن فراهم می‌کند. این روش مخصوصاً در مواردی که گاز مهاجرت کرده یا منشأ ترکیبی دارد کاربردی است.
تفکیک ایزوتوپی CO₂ و CH₄
با مقایسه مقادیر ایزوتوپی CO₂ و CH₄ می‌توان مسیرهای متابولیکی تولید متان را شناسایی کرد و منشأ دی‌اکسید کربن را در محیط‌های ذغال‌سنگی تعیین نمود.
شناسایی زیستی منشأ گاز
شناسایی گونه‌های میکروبی مؤثر در متانوژنز با استفاده از آنالیز ژنتیکی مانند بررسی ژن‌های عملکردی و توالی‌یابی 16S rRNA انجام میشود. این تکنیک‌ها امکان شناسایی دقیق نوع باکتری‌ها و مسیرهای زیستی تولید متان را فراهم می‌کنند.
تحلیل مغزه‌های حفاری‌شده
تحلیل مغزه‌های سنگی استخراج‌شده از چاه‌های اکتشافی می‌تواند اطلاعات ایزوتوپی مانند TOC و TGC مفیدی برای تعیین نوع منشأ گاز فراهم کند. به‌طور مثال، مقدار بالای δ¹³C_CO₂ معمولاً به متان بیوژنیک نسبت داده میشود. این روش همچنین برای شناسایی نواحی غنی از متانوژن‌ها کاربرد دارد.
بررسی ترکیب آب سازند (هیدروشیمی)
آب‌های موجود در لایه‌های زغال‌سنگ و شیل، در صورت وجود مواد آلی محلول کافی، می‌توانند محیط مناسبی برای رشد و فعالیت متانوژن‌ها فراهم کنند. با این حال، شوری بالا و غلظت زیاد یون‌هایی مانند کلرید و سولفات می‌توانند موجب مهار متانوژنز شوند. علاوه بر این، ترکیب یونی آب زیرزمینی می‌تواند شاخصی برای شناسایی نواحی مستعد تولید زیستی متان باشد.
کاربردهای گاز طبیعی شامل چه مواردی هست؟
گاز طبیعی به دلیل ارزش حرارتی بالا، قابلیت احتراق آسان، آلایندگی پایین‌تر نسبت به سایر سوخت‌های فسیلی و در دسترس بودن، کاربردهای گسترده‌ای دارد:
تولید برق و حرارت توان ترکیبی (CHP)
گاز طبیعی به‌طور گسترده در نیروگاه‌ها برای تولید برق استفاده میشود. همچنین در سیستم‌های تولید همزمان برق و حرارت (Combined Heat and Power – CHP) نیز نقش دارد که در آن انرژی حرارتی حاصل از تولید برق بازیابی و برای گرمایش فضا یا آب استفاده میشود. این روش بازده انرژی بالایی دارد.
گرمایش صنعتی و خانگی
در صنعت برای تولید گرمای موردنیاز در کوره‌ها، خشک‌کن‌ها، بویلرها و سایر فرآیندهای حرارتی کاربرد دارد. در بخش خانگی نیز برای گرمایش فضا، گرم‌کردن آب، پخت‌وپز مورد استفاده قرار می‌گیرد.
صنایع شیمیایی و پتروشیمی
گاز طبیعی خوراک اصلی در تولید مواد شیمیایی مانند آمونیاک (برای کودهای نیتروژنه)، متانول، اتیلن، پروپیلن و سایر ترکیبات پایه پتروشیمی است. همچنین به‌عنوان منبع هیدروژن، گوگرد و کربن سیاه (کربن بلک) به‌کار می‌رود.
سوخت وسایل نقلیه
گاز طبیعی به صورت فشرده (CNG) یا مایع (LNG) به‌عنوان سوخت در ناوگان حمل‌ونقل استفاده میشود. خودروهای سواری، اتوبوس‌ها، کامیون‌ها و حتی کشتی‌ها و قطارها از گاز طبیعی به‌عنوان سوخت پاک‌تر و ارزان‌تر استفاده می‌کنند.
پشتیبانی از انرژیهای تجدید پذیر
در سیستم‌های هیبریدی برق‌رسانی، گاز طبیعی برای پشتیبانی از منابع ناپایدار انرژی مانند خورشیدی و بادی به‌کار می‌رود. زمانی که تولید برق از منابع تجدیدپذیر کاهش می‌یابد، نیروگاه‌های گازی می‌توانند به‌سرعت وارد مدار شده و کمبود انرژی را جبران کنند.
تولید LNG و گاز صادراتی
گاز طبیعی با فرآیند مایع‌سازی به LNG تبدیل شده و برای صادرات به نقاط دوردست از طریق کشتی‌های مخصوص حمل میشود. این کاربرد نقشی کلیدی در تجارت جهانی گاز دارد.
تولید آب شیرین و سرمایش
در برخی فناوری‌های پیشرفته، گاز طبیعی برای راه‌اندازی سیستم‌های نمک‌زدایی آب دریا (desalination) و همچنین سیستم‌های سرمایش جذبی مورد استفاده قرار می‌گیرد.
تصفیه (شیرین سازی) گاز طبیعی
گاز طبیعی خام پس از استخراج معمولاً شامل ناخالصی‌هایی نظیر گازهای اسیدی (مانند CO2 و H2S)، رطوبت، و سایر ترکیبات ناخواسته است که وجود آن‌ها می‌تواند مشکلاتی در خطوط انتقال، تجهیزات و مصرف‌کننده نهایی ایجاد کند. به همین دلیل، فرآیند تصفیه گاز طبیعی جهت حذف این ناخالصی‌ها بسیار ضروری است.
حذف ناخالصی‌هایی مانند H2S (سولفید هیدروژن) و CO2 (دی‌اکسید کربن) برای جلوگیری از خوردگی تجهیزات.
جلوگیری از تشکیل رسوبات مضر در خطوط انتقال و تجهیزات.
ارتقاء کیفیت گاز طبیعی جهت مصرف در صنایع و مصارف خانگی.
کاهش اثرات مخرب زیست‌محیطی ناشی از گازهای اسیدی و آلاینده‌ها.
افزایش ارزش اقتصادی گاز طبیعی با حذف ناخالصی‌ها.
تضمین ایمنی در ذخیره‌سازی، انتقال و مصرف گاز.
تطابق با استانداردهای بین‌المللی و مقررات زیست‌محیطی.
انواع روش های تصفیه گاز طبیعی به چند دسته تقسیم میشود؟
جذب آمینی (Amine Gas Treating)
این روش یکی از رایج‌ترین فناوری‌ها برای حذف گازهای اسیدی مانند H₂S و CO₂ از گاز طبیعی است. در این فرآیند، گاز ترش از میان محلول‌های آمینی مانند MEA، DEA یا MDEA عبور می‌کند و گازهای اسیدی به‌صورت شیمیایی جذب می‌شوند. سپس با گرمایش محلول، گازهای جذب‌شده آزاد می‌شوند و محلول آمینی بازیابی می‌گردد.
ویژگی‌ها:
• بازدهی جذب بسیار بالا
• عملکرد در دما و فشار معمولی
• امکان بازیابی محلول و استفاده مجدد
• مناسب برای غلظت‌های مختلف H₂S و CO₂
• فرآیند شیمیایی با نیاز به تجهیزات گرمایشی
جذب فیزیکی (Physical Absorption)
این روش برای حذف گازهای اسیدی در شرایط فشار بالا و غلظت زیاد کاربرد دارد. گاز از میان حلال‌هایی مانند سولفولان یا DEG عبور می‌کند که ناخالصی‌ها را بدون واکنش شیمیایی در خود حل می‌کنند. سپس با کاهش فشار یا افزایش دما، گازهای جذب‌شده از حلال جدا می‌شوند.
ویژگی‌ها:
• مناسب برای فشار بالا و دمای پایین
• جذب بدون واکنش شیمیایی
• امکان بازدهی بالا و تخریب کم حلال
• مصرف انرژی کمتر نسبت به جذب شیمیایی
تکنولوژی PSA برای جداسازی گازهای اسیدی و ناخالصی‌ها با استفاده از جاذب‌های جامد به‌کار می‌رود. گاز در فشار بالا از بستر جاذب عبور کرده و ناخالصی‌ها جذب می‌شوند. سپس با کاهش فشار، جاذب احیا میشود و چرخه تکرار میشود.
ویژگی‌ها:
• عدم استفاده از مواد شیمیایی
• جذب انتخابی و بازدهی بالا
• فرآیند چرخه‌ای و پیوسته
• مناسب برای تولید گاز با خلوص بالا
• سیستم پیچیده‌تر نسبت به روشهای مایع
جداسازی غشایی (Membrane Separation)
در این روش، گاز از غشاهای نیمه‌تراوا عبور می‌کند که اجازه عبور به برخی گازها را داده و دیگر گازها را جدا می‌کنند. این روش برای جریان‌های با حجم متوسط مناسب است و می‌تواند به‌صورت ماژولار پیاده‌سازی شود.
ویژگی‌ها:
• فرآیند خشک، بدون مایع و شیمیایی
• قابلیت نصب سریع و اشغال فضای کم
• نیاز به چند مرحله برای دستیابی به خلوص بالا
• مناسب برای پالایش گاز در میادین کوچک و متوسط
جذب سطحی (Adsorption)
در جذب سطحی، گاز از میان بسترهایی از مواد جاذب مانند زئولیت، کربن فعال یا آلومینا عبور می‌کند و ناخالصی‌ها به سطح این مواد جذب می‌شوند. با تغییر فشار یا حرارت، جاذب احیا میشود و قابل استفاده مجدد است.
ویژگی‌ها:
• فرآیندی ساده و قابل اطمینان
• قابلیت استفاده مجدد از جاذب‌ها
• مناسب به‌عنوان مرحله تکمیلی
• عدم نیاز به مواد شیمیایی
شستشو با آب (Water Scrubbing)
در این روش، گاز ترش با آب در تماس قرار می‌گیرد تا گازهای اسیدی حل شوند. این فرآیند بیشتر برای جریان‌های کم فشار و با غلظت پایین طراحی شده و نیاز به تجهیزات خاصی ندارد.
ویژگی‌ها:
• سادگی در طراحی و اجرا
• روش اقتصادی
• مناسب برای فشار و غلظت پایین
• نیاز به سیستم تصفیه آب استفاده‌شده
تصفیه سرد (Cryogenic Separation)
این روش بر پایه سرد کردن گاز تا دمای بسیار پایین برای جدا کردن ناخالصی‌ها به صورت مایع یا جامد است. بیشتر در واحدهای صنعتی بزرگ و برای جریان‌های حجیم به‌کار می‌رود.
ویژگی‌ها:
• توانایی حذف همزمان CO₂، H₂S و هیدروکربن‌های سنگین
• بازدهی بالا
• مصرف انرژی زیاد
• نیاز به تجهیزات پیچیده و گران‌قیمت
انتقال گاز طبیعی از محل استخراج تا محل مصرف نهایی، از طریق روشهای گوناگونی صورت می‌گیرد که شامل انتقال به صورت گاز فشرده (CNG)، گاز مایع‌شده (LNG) و خطوط لوله است. هر کدام از این روش‌ها ویژگی‌ها، مزایا و محدودیت‌های خاص خود را دارند.
انتقال از طریق خطوط لوله
شبکه جمع‌آوری: (Gathering System) گاز طبیعی استخراج‌شده از چاه‌ها توسط خطوط لوله کوچک و متوسط به تأسیسات پالایش اولیه منتقل میشود. این مرحله اولین گام از زنجیره انتقال است.
سیستم بین‌ایالتی: (Interstate System) پس از پالایش اولیه، گاز از طریق خطوط لوله با قطر بالا به فواصل دور و مقاصد بین‌المللی منتقل میشود. این خطوط معمولاً تحت فشار بالا کار می‌کنند و به ایستگاه‌های تقویت فشار نیاز دارند.
سیستم توزیع : (Distribution System) در این مرحله، گاز پس از کاهش فشار در ایستگاه‌های محلی، از طریق خطوط توزیع شهری به مصرف‌کنندگان نهایی می‌رسد.
انتقال به صورت گاز طبیعی فشرده (CNG)
ر روش انتقال گاز طبیعی به‌صورت فشرده (CNG)، گاز طبیعی با فشرده‌سازی تا فشار ۲۳۰ تا ۲۵۰ بار به حالت متراکم در می‌آید و در مخازن تحت فشار بالا ذخیره میشود. این روش عمدتاً برای حمل گاز در مسافت‌های کوتاه و میادین کوچک، به‌ویژه در مناطقی که زیرساخت‌های خط لوله یا تجهیزات مایع‌سازی وجود ندارد، استفاده میشود. انتقال CNG با کامیون‌ها یا کشتی‌های مخصوص انجام می‌گیرد که طراحی آن‌ها باید دارای دیواره‌های ضخیم و سیستم‌های ایمنی مقاوم در برابر فشار و شرایط محیطی باشد. CNG دریایی نیز در میدان‌های دریایی کوچک کاربرد دارد و با کشتی‌هایی مجهز به مخازن فشرده‌سازی‌شده انجام میشود.
مزایا:
• عدم نیاز به سرمایش عمیق
• سرمایه‌گذاری کمتر نسبت به تجهیزات مایع‌سازی (LNG)
• مناسب برای میادین کوچک و مسافت‌های کوتاه
• امکان استفاده در مناطق فاقد زیرساخت خط لوله
انتقال به صورت گاز طبیعی مایع‌شده (LNG)
در این روش، گاز طبیعی با سرد شدن تا دمای حدود منفی ۱۶۰ درجه سلسیوس به حالت مایع در می‌آید که موجب کاهش حجم آن تا چند برابر میشود. به همین دلیل، LNG برای صادرات در مسافت‌های طولانی و حجم بالا بسیار مناسب است. حمل آن با کشتی‌هایی انجام میشود که دارای مخازن عایق‌دار مخصوص هستند تا دمای پایین حفظ شود.
فرآیند مایع‌سازی با استفاده از فناوری‌های مختلفی مانند چرخه‌های مبرد خالص، مبرد مخلوط یا ترکیبی انجام میشود. انتخاب هر یک از این فرآیندها به ظرفیت تولید و شرایط اقتصادی بستگی دارد.
پس از رسیدن LNG به مقصد، طی فرآیند بازگازی در پایانه‌ها، آن را به حالت گازی بازمی‌گردانند. در این مرحله، می‌توان از سرمای آزادشده برای تولید انرژی استفاده کرد. این بازیابی انرژی با استفاده از چرخه‌هایی مانند رانکین یا برایتون انجام میشود و نقش مهمی در افزایش بازده انرژی کل سیستم ایفا می‌کند.
چالشهای اصلی در تصفیه گاز طبیعی
چند مورد از چالشهای اصلی در تصفیه گاز طبیعی را نام ببرید؟
چالشهای فنی جذب گازهای اسیدی
روشهای حلال فیزیکی ظرفیت کمتری نسبت به آمین‌ها دارند و نیاز به تجهیزات بزرگ‌تر دارند، اما هزینه کمتری دارند. حلال‌های هیبریدی برای گازهای با فشار بالا خوب‌اند و انرژی کمتری مصرف می‌کنند اما مقدار بیشتری هیدروکربن از دست می‌رود. در جذب با آمین، مشکل خوردگی و تجزیه حلال وجود دارد و پدیده کف‌کردن هم اختلال ایجاد می‌کند که با فیلتراسیون و ضدکف قابل کنترل است.
چالشهای فنی فناوری غشایی تصفیه گاز
غشاها باید در برابر آب، CO₂، هیدروکربن‌های سنگین و ذرات مقاوم باشند و فشار بالا را تحمل کنند. انواع مختلفی از ماژول‌ها وجود دارد که هرکدام مزایا و معایب خود را دارند. غشاهای کامپوزیتی با لایه نازک و تکیه‌گاه متخلخل، رویکرد جدیدی برای بهبود عملکرد هستند.
چالشهای زیست‌محیطی و اجتماعی ناشی از استخراج گاز طبیعی
فعالیت استخراج گاز باعث آسیب به زیستگاه‌ها، آلودگی صوتی و نگرانی درباره زمین‌لرزه میشود. مصرف زیاد آب و احتمال آلودگی منابع آبی از نگرانی‌های جدی است. همچنین آلودگی هوا از طریق فلرینگ، کامیون‌ها و تجهیزات، انتشار گازهای گلخانه‌ای مثل متان را افزایش می‌دهد و سلامت اطرافیان را تهدید می‌کند.
