천연 가스

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배경

천연 가스는 식물과 동물의 유기 물질이 분해되어 지하에 형성된 가연성 가스의 혼합물입니다. 석유가 거의 또는 전혀 없는 천연 가스의 지하 저장소가 여러 개 있지만 일반적으로 석유가 있는 지역에서 발견됩니다. 천연 가스는 난방 및 요리뿐만 아니라 다양한 산업 응용 분야에 널리 사용됩니다.

연혁

천연 가스는 암석과 샘에서 새어 나오는 형태로 초기 인류에게 알려져 있었습니다. 때때로 번개나 기타 점화원으로 인해 이러한 가스 누출이 발생하여 지상에서 화재가 발생했다는 이야기가 발생합니다. 기원전 900년경 <소> 천연 가스는 중국의 우물에서 끌어왔습니다. 가스를 태우고 그 열로 바닷물을 증발시켜 소금을 생산했습니다. 1세기까지 중국인들은 천연 가스의 지하 저장고를 시추하는 보다 진보된 기술을 개발하여 부드러운 토양에서 1,460m 깊이의 우물을 뚫을 수 있었습니다. 그들은 속이 빈 대나무 파이프의 섹션을 통해 삽입된 금속 드릴 비트를 사용하여 가스에 도달하고 표면으로 가져왔습니다.

로마인들도 천연 가스에 대해 알고 있었고 Julius Caesar는 프랑스 그르노블 근처에서 "불타는 샘"을 목격했다고 추정됩니다. 초기 러시아의 종교 사원은 불타는 천연 가스가 "영원한 불꽃"을 형성한 장소 주변에 세워졌습니다.

미국에서는 1821년 William Hart가 뉴욕 주 프레도니아 근처 Canadaway Creek 강둑을 따라 얕은 가스 주머니를 만들기 위해 우물을 뚫을 때 천연 가스를 의도적으로 처음 사용했습니다. 그는 속이 빈 통나무를 통해 근처 건물로 가스를 배관하여 조명을 위해 태웠습니다. 1865년 Fredonia Gas, Light, and Waterworks Company는 미국 최초의 천연 가스 회사가 되었습니다. 최초의 장거리 가스 파이프라인은 1872년 가스전에서 뉴욕주 로체스터까지 40km를 달렸습니다. 이 파이프라인도 파이프에 속이 빈 통나무를 사용했습니다. 1885년 Robert Bunsen이 Bunsen 버너를 개발하면서 천연 가스를 조명 용도 외에 난방 및 요리의 원천으로 사용하는 데 관심을 갖게 되었습니다. 1891년에는 중부 인디애나에서 고압 가스 매장지가 도청되었고 가스를 일리노이 주 시카고로 가져오기 위해 192km 길이의 파이프라인이 건설되었습니다.

이러한 초기 노력에도 불구하고 천연가스에 대한 우수한 분배 시스템의 부재로 인해 가스가 발견된 지역으로의 사용이 제한되었습니다. 더 외딴 지역에서 석유 시추의 일환으로 표면에 나온 대부분의 가스는 단순히 대기로 배출되거나 유전을 밤낮으로 밝히는 거대한 플레어로 연소되었습니다. 1910년대까지 석유 회사는 이러한 관행이 잠재적인 이익을 앗아가고 있음을 깨닫고 미국 전역의 대도시 지역에 가스 파이프라인을 설치하는 공격적인 프로그램을 시작했습니다. 이 파이프라인 프로그램이 천연 가스를 전기와 석탄의 매력적인 대안으로 만들기에 충분한 도시와 마을에 도달한 것은 제2차 세계 대전 이후였습니다.

2000년까지 미국에는 600개 이상의 천연 가스 처리 공장이 300,000마일(480,000km) 이상의 주요 운송 파이프라인에 연결되었습니다. 전 세계적으로 구소련, 캐나다, 중국, 중동의 아라비아 만 국가에도 상당한 양의 천연가스 매장량이 있습니다.

원자재

원시 천연 가스는 여러 가스로 구성됩니다. 주성분은 메탄입니다. 다른 구성 요소에는 에탄, 프로판, 부탄 및 기타 많은 가연성 탄화수소가 포함됩니다. 원시 천연 가스에는 수증기, 황화수소, 이산화탄소, 질소 및 헬륨도 포함될 수 있습니다.

처리하는 동안 이러한 구성 요소 중 많은 부분이 제거될 수 있습니다. 에탄, 프로판, 부탄, 황화수소 및 헬륨과 같은 일부는 별도의 상품으로 처리 및 판매되기 위해 부분적으로 또는 완전히 제거될 수 있습니다. 수증기, 이산화탄소 및 질소와 같은 기타 구성 요소는 천연 가스의 품질을 향상시키거나 파이프라인을 통해 가스를 먼 거리로 쉽게 이동할 수 있도록 제거할 수 있습니다.

"전형적인" 천연 가스와 같은 것은 없지만 생성된 처리된 천연 가스에는 대부분 메탄과 에탄이 포함되어 있습니다. 특별한 품질을 제공하기 위해 처리된 가스에 특정 다른 구성 요소가 추가될 수 있습니다. 예를 들어, 메르캅탄으로 알려진 화학 물질이 가스에 추가되어 누출을 경고하는 독특한 냄새가 납니다.

제조 공정

천연 가스를 추출, 처리, 운송, 저장 및 유통하는 데 사용되는 방법은 최종 사용자가 사용하는 가스의 위치와 용도, 원료 가스의 위치 및 구성에 따라 다릅니다. 다음은 가정 난방 및 요리용 천연 가스를 생산하는 데 사용되는 일반적인 작업 순서입니다.

추출

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1 일부 지하 천연 가스 저장소는 가스가 추가 도움 없이 유정 위로 흘러 지구 표면에 도달할 수 있을 만큼 충분한 내부 압력을 받고 있습니다. 그러나 대부분의 유정에는 가스(존재하는 경우 오일)를 표면으로 가져오기 위해 펌프가 필요합니다. 가장 일반적인 펌프에는 우물 깊은 곳의 피스톤에 긴 막대가 부착되어 있습니다. 막대는 수직 지지대 위에서 위아래로 천천히 흔들리는 빔에 의해 교대로 위쪽으로 당겨지고 다시 우물로 떨어집니다. 이 구성은 요동 빔 끝의 당기는 메커니즘의 모양이 말의 머리와 비슷하기 때문에 종종 말 머리 펌프라고 합니다.

2 천연 가스가 지표면에 도달하면 존재할 수 있는 오일과 분리되어 인근 중앙 가스 처리 공장으로 파이프됩니다. 수백 개의 우물이 모두 같은 식물에 공급될 수 있습니다.

처리

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3 미국에서 천연 가스의 약 75%는 석유가 거의 또는 전혀 존재하지 않는 지하 저장고에서 나옵니다. 이 가스는 유정에서 나오는 가스보다 처리하기 쉽습니다. 출처에 관계없이 대부분의 천연 가스에는 먼지, 모래 및 수증기가 포함되어 있으며 장비 및 파이프라인의 오염 및 부식을 방지하기 위해 추가 처리 전에 제거해야 합니다. 먼지와 모래는 우물 근처의 필터 또는 트랩으로 제거됩니다. 수증기는 일반적으로 알루미나 또는 실리카겔과 같은 고체 건조제의 과립으로 채워진 탑을 통과하거나 글리콜과 같은 액체 건조제를 통해 가스를 통과시켜 제거합니다. 세척 및 건조 후, 미가공 가스는 추가로 처리되거나 압축기 스테이션으로 직접 보내져 주요 운송 파이프라인으로 펌핑될 수 있습니다.

4 천연가스 원료에 프로판, 부탄과 같은 중질 탄화수소 가스가 다량 포함되어 있는 경우 이러한 물질을 제거하여 별도로 판매합니다. 가장 일반적인 방법은 등유와 유사한 냉각 흡수 오일이 들어 있는 높고 닫힌 탑을 통해 원료 가스를 버블링하는 것입니다. 가스가 차가운 오일과 접촉함에 따라 더 무거운 탄화수소 가스가 액체로 응축되어 오일에 갇히게 됩니다. 메탄 및 에탄과 같은 더 가벼운 탄화수소 가스는 액체로 응축되지 않고 타워 상단으로 흘러나갑니다. 프로판의 약 85%와 거의 모든 부탄과 더 무거운 탄화수소가 이 방식으로 갇힙니다. 그런 다음 흡수 오일은 갇힌 탄화수소를 제거하기 위해 증류되며, 이 탄화수소는 분류탑에서 개별 구성 요소로 분리됩니다.

5 이 시점에서 천연 가스에는 메탄, 에탄 및 갇히지 않은 소량의 프로판이 포함됩니다. 또한 다양한 양의 이산화탄소를 함유할 수 있으며, 지하에서 천연가스를 생산하여 가정용으로 사용하는 방법을 보여주는 도표. 황화수소, 질소 및 기타 재료. 에탄의 일부는 때때로 제거되어 다양한 화학 공정의 원료로 사용됩니다. 이를 달성하기 위해 가스의 수증기는 여러 방법 중 하나를 사용하여 추가로 감소한 다음 가스를 압축 및 팽창 주기를 반복하여 에탄을 냉각시키고 액체로 포획합니다.

6 일부 천연 가스에는 높은 비율의 이산화탄소와 황화수소가 포함되어 있습니다. 이러한 화학 물질은 가스에 남아 있는 수증기와 반응하여 산을 형성하여 부식을 일으킬 수 있습니다. 이들은 모노에탄올아민과 같은 용매와 혼합된 물의 스프레이가 상부에 주입되는 동안 탑을 통해 가스를 위로 흐르게 하여 제거됩니다. 용매는 화학 물질과 반응하고 용액은 추가 처리를 위해 타워 바닥에서 배출됩니다.

7 일부 천연 가스에는 높은 비율의 질소도 포함되어 있습니다. 질소는 연소되지 않기 때문에 천연 가스의 발열량을 감소시킵니다. 이산화탄소와 황화수소가 제거된 후, 가스는 저온증류과정을 거쳐 질소를 액화 분리한다. 함께 6단계와 7단계의 프로세스를 가스 "업그레이드"라고 하는 이유는 천연 가스가 이제 더 깨끗하고 더 뜨겁게 연소되기 때문입니다.

8 헬륨 가스를 포집할 경우 질소를 제거한 후에 수행합니다. 여기에는 다른 가스로부터 헬륨을 분리하기 위한 복잡한 증류 및 정제 과정이 포함됩니다. 천연 가스는 미국에서 산업용 헬륨의 주요 공급원입니다.

운송

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9 Mercaptan은 처리된 천연 가스에 주입되어 특유의 경고 냄새가 나고 가스는 압력이 약 200-1,500psi(1,380-10,350kPa)로 증가되는 압축기 스테이션으로 파이프됩니다. 그런 다음 가스는 지하에 설치된 여러 주요 파이프라인 중 하나를 통해 전국으로 운송됩니다. 이러한 파이프라인의 직경은 20~42인치(51~107cm)입니다. 약 160km마다 다른 압축기가 가스 압력을 높여 가스와 파이프 벽 사이의 마찰로 인한 작은 압력 손실을 보충합니다. 이것은 가스 흐름을 유지합니다.

10 압축천연가스가 최종 목적지 부근에 도달하면 이를 다시 땅속으로 주입하여 저장하는 경우가 있습니다. 고갈된 지하 가스 및 석유 저장소, 대수층으로 알려진 다공성 암석층 또는 지하 소금 동굴이 가스를 저장하는 데 사용될 수 있습니다. 이것은 추운 겨울 동안 준비된 공급을 보장합니다.

배포

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11 가스가 필요할 때 지하 저장고에서 꺼내 최대 1,000psi(6,900kPa)의 압력으로 파이프라인을 통해 운반합니다. 이 파이프라인은 가스를 사용할 도시나 지역으로 가져옵니다.

12 압력이 60psi(410kPa) 미만으로 감소하고 가스가 해당 지역 전체를 흐르는 지하 파이프에 분배됩니다. 가스가 각 가정이나 사업체로 배관되기 전에 압력은 약 0.25psi(1.7kPa)로 추가로 감소합니다.

품질 관리

천연 가스는 공기 중에서 쉽게 연소되며 대량으로 갑자기 점화되면 격렬하게 폭발할 수 있습니다. 천연가스 누출로 인한 강력한 폭발로 건물 전체가 무너졌습니다. 다른 경우에는 사람들이 천천히 천연 가스로 채워진 밀폐된 방에서 질식했습니다. 천연 가스는 무취이기 때문에 가스에 악취가 나는 메르캅탄이 첨가되어 작은 누출이라도 즉시 알아차릴 수 있습니다. 고압 지하 가스 파이프라인을 보호하기 위해 파이프라인에서 몇 피트 위의 땅에 밝은 노란색 플라스틱 테이프를 매설하여 해당 지역에서 땅을 파고 있을 수 있는 사람들에게 경고합니다. 그렇게 하면 실제로 아래 파이프라인에 부딪히기 전에 테이프를 발견할 수 있습니다. 경고 표지판은 추가 예방 조치로 파이프라인의 전체 길이를 따라 지면 수준에 배치됩니다.

미래

천연가스는 청정 연소되기 때문에 자동차의 대체 연료로 고려되고 있습니다. 압축 천연 가스(CNG) 자동차와 트럭은 이미 많은 지역에서 도로를 운행하고 있습니다. 고온이 필요한 산업 공정을 사용하는 회사들도 공장에서 배출되는 대기 오염을 줄이기 위해 다른 연료 대신 천연 가스로 전환하고 있습니다. 여기에는 철강, 유리, 세라믹, 시멘트, 종이, 화학, 알루미늄 및 가공 식품 제조에 관련된 회사가 포함됩니다.