천연가스: 채굴부터 유통까지 종합 개요

배경

천연가스는 지하 깊은 곳에서 유기물의 열분해로 형성된 가연성 탄화수소 혼합물입니다. 종종 석유와 함께 발견되지만, 석유가 없는 대규모 매장층도 존재합니다. 깨끗하고 효율적인 연소 덕분에 주거용 난방, 조리, 광범위한 산업 공정의 초석이 되었습니다.

역사

천연가스는 수천 년간 인간을 매료시켰습니다. 초기 문명은 바위와 샘에서 빛나는 누출을 관찰했고, 때때로 번개에 점화돼 '땅에서 나온 불' 전설을 낳았습니다. 기원전 900년경 중국 기술자들이 우물에서 가스를 추출해 바닷물을 증발시켜 소금을 생산했습니다. 1세기 기원전에 대나무 심 금속 비트로 4,800피트(1,460m) 깊이까지 도달하는 첨단 시추 기술을 개발했습니다.

로마인들도 천연가스를 알고 있었습니다. 줄리어스 시저가 프랑스 그르노블 근처 '불타는 샘'을 목격했다는 기록이 있습니다. 초기 러시아에서는 천연가스 누출로 타오르는 영구 불꽃 주위에 사원을 지었습니다.

미국에서 윌리엄 하트가 1821년 뉴욕 캐나다웨이 크릭에서 최초의 의도적 가스정을 시추해 속이 빈 통나무로 가스를 파이핑해 조명에 사용했습니다. 프레도니아 가스, 조명, 수도 회사가 1865년 미국 최초 가스 회사가 되었습니다. 1872년 가스전에서 로체스터까지 25마일(40km) 파이프라인이 속 빈 통나무를 사용해 건설되었습니다. 분젠 버너(1885)가 난방과 조리용 가스에 대한 관심을 촉진했습니다. 1891년 인디애나 중부의 고압 매장층이 시카고까지 120마일(192km) 파이프라인을 공급했습니다.

초기 노력은 불충분한 유통 네트워크로 제한돼 가스는 지역 상품으로 남았습니다. 1910년대 석유 회사들이 가스 방출로 인한 재정적 손실을 인식하고 주요 도시에 파이프라인을 설치하기 시작했습니다. 제2차 세계대전 후에야 전국적 네트워크가 등장해 천연가스를 전기와 석탄의 경쟁력 있는 대안으로 만들었습니다.

오늘날 미국은 600개 이상의 처리 공장과 30만 마일(48만 km) 이상의 주 송유관을 운영합니다. 구소련, 캐나다, 중국, 아라비아만에도 상당한 매장량이 존재합니다.

원자재

원시 천연가스는 주로 메탄이며, 에탄, 프로판, 부탄 및 기타 탄화수소가 동반됩니다. 수증기, 황화수소, 이산화탄소, 질소, 미량 헬륨도 포함될 수 있습니다.

가공 과정에서 많은 성분이 제거되거나 분리 판매됩니다. 에탄, 프로판, 부탄, 황화수소, 헬륨은 종종 분리되며, 수증기, CO₂, 질소는 품질 향상과 수송 용이성을 위해 제거됩니다.

결과물은 주로 메탄과 에탄이며, 누출 감지를 위해 머캅탄 같은 첨가제가 추가됩니다.

제조 공정

채굴

• 1 일부 매장층은 가스가 자연스럽게 표면으로 흐를 만큼 충분한 압력을 가지나, 대부분 우물은 펌핑이 필요합니다. 가장 일반적인 펌프는 피스톤에 연결된 긴 막대를 로킹 빔이 구동하는 구조로, 흔히 말머리 펌프라 불립니다.
• 2 지표에서 가스는 석유(존재 시)와 분리돼 중앙 처리 공장으로 보내집니다. 수백 개 우물이 단일 시설을 공급할 수 있습니다.

가공

• 3 미국에서 천연가스의 ~75%가 석유 없는 매장층에서 나와 가공이 단순화됩니다. 원시 가스는 일반적으로 먼지, 모래, 수증기를 포함합니다. 필터나 트랩이 고체를 제거하고, 탈착탑(알루미나, 실리카 겔) 또는 액체 탈착제(글라이콜)가 수송 파이프라인으로 직접 주입 전 또는 추가 처리 전 스트림을 건조시킵니다.
• 4 중질 탄화수소(프로판, 부탄)는 케로신 유사 오일을 사용한 냉흡수탑으로 포집됩니다. 오일이 응축돼 프로판의 ~85%와 거의 모든 부탄을 포착하고, 경질 가스는 탑을 빠져나갑니다. 오일은 증류되고 탄화수소는 분별탑에서 분리됩니다.
• 5 가스 스트림은 이제 메탄, 에탄, 소량 프로판, 미량 CO₂, H₂S, N₂ 등을 포함합니다. 에탄은 극저온 압축/팽창 사이클로 추가 분리될 수 있으며, 잔여 수증기는 추가 탈수 단계로 감소됩니다.
• 6 고농도 CO₂ 또는 H₂S의 경우, 화학 스크러버 탑에서 모노에탄올아민을 주입해 산과 반응시킨 후 배수해 처리합니다.
• 7 질소는 연소하지 않는 희석제로, CO₂와 H₂S 제거 후 저온 증류로 제거됩니다. 전체 '업그레이드' 공정으로 더 깨끗하고 고에너지 가스를 얻습니다.
• 8 헬륨 회수는 질소 제거 후 복잡한 극저온 증류 및 정제 루프를 거쳐 이루어지며, 천연가스가 미국 1차 헬륨 공급원이 됩니다.

수송

• 9 가공된 가스는 누출 감지를 위해 머캅탄을 주입받은 후 압축기 스테이션으로 이동해 압력을 200~1,500psi(1,380~10,350kPa)로 높입니다. 지하 송유관(지름 20~42인치/51~107cm)이 수천 마일 이어지며, 마찰 손실 압력을 복구하기 위해 약 100마일(160km)마다 압축기 스테이션이 있습니다.
• 10 목적지 근처에서 가스는 계절적 수요 균형을 위해 지하 저장소(고갈 매장층, 대수층, 소금 동굴)에 주입될 수 있습니다.

유통

• 11 저장소에서 가스는 최대 1,000psi(6,900kPa) 압력으로 지역 배관망으로 라우팅됩니다.
• 12 압력은 도시망용 60psi(410kPa) 이하로 낮춰지고, 개별 가정이나 사업장 진입 전 ~0.25psi(1.7kPa)로 추가 감소됩니다.

품질 관리

천연가스는 고도로 가연성이며 대량 급작스레 점화되면 폭발할 수 있습니다. 갑작스러운 누출과 장기간 질식으로 치명적 사고가 발생했습니다. 위험 완화를 위해 착취제(머캅탄)를 첨가하고, 고압 파이프라인 위 몇 피트 아래 밝은 노란색 경고 테이프를 매설합니다. 지표면 표지판이 파이프라인 위치를 공공에 추가로 알립니다.

미래

천연가스의 낮은 배출 프로필은 자동차 대체 연료로 유망합니다. 압축천연가스(CNG) 차량이 이미 전 세계에서 운행 중입니다. 또한 철강, 유리, 시멘트, 화학, 알루미늄, 가공식품 등 많은 고열 산업 공정이 대기 오염 감축을 위해 천연가스로 전환하고 있습니다.