Khí thiên nhiên

Trong thế kỷ XIX, khí thiên nhiên thường được xem như một sản phẩm phụ của việc sản xuất dầu, vì các chuỗi khí cacbon nhỏ, nhẹ đi ra từ dung dịch khi các chất lỏng chiết xuất trải qua việc giảm áp suất từ hồ chứa xuống bề mặt.

Khí tự nhiên còn dư là một vấn đề xử lý trong các mỏ dầu đang hoạt động. Nếu không được tiêu thụ gần đầu giếng thì nó cực kỳ tốn kém. Thế kỷ XIX và đầu thế kỷ XX, khí dư thường được đốt cháy tại các mỏ dầu. Ngày nay, khí dư (hoặc khí bị tồn đọng trong thị trường) liên quan đến việc khai thác dầu thường được trả lại hồ chứa với các giếng phun trong khi chờ thị trường trong tương lai có thể hoặc kìm nén sự hình thành, có thể tăng cường tỷ lệ khai thác từ các giếng khác. Ở những khu vực có nhu cầu khí tự nhiên cao (như Mỹ), đường ống được xây dựng khi có khả năng kinh tế để vận chuyển khí từ giếng khoan đến một người tiêu dùng.

Ngoài việc vận chuyển khí qua đường ống để sử dụng trong việc phát điện, các mục đích sử dụng khác cho khí thiên nhiên bao gồm xuất khẩu khí thiên nhiên hóa lỏng (LNG) hoặc chuyển khí thiên nhiên thành các sản phẩm lỏng khác thông qua công nghệ khí hóa lỏng (GTL). Công nghệ GTL có thể chuyển đổi khí thiên nhiên thành các sản phẩm chất lỏng như xăng, dầu diesel hoặc nhiên liệu máy bay phản lực. Một loạt các công nghệ GTL đã được phát triển, bao gồm Fischer – Tropsch (F – T), methanol để xăng (MTG) và syngas cho xăng cộng (STG +). F-T sản xuất một loại dầu thô tổng hợp có thể được tinh chế thêm thành các sản phẩm hoàn chỉnh, trong khi MTG có thể sản xuất xăng tổng hợp từ khí thiên nhiên. STG + có thể sản xuất xăng, dầu diesel, nhiên liệu máy bay phản lực và hóa chất thơm trực tiếp từ khí thiên nhiên thông qua một quá trình đơn.[6] Trong năm 2011, nhà máy F – T của Royal Dutch Shell sản xuất 140.000 thùng/ngày đã đi vào hoạt động tại Qatar.[7]

Khí thiên nhiên có thể được “liên kết” (được tìm thấy trong các mỏ dầu), hoặc "không liên quan" (được phân lập trong các mỏ khí tự nhiên), và cũng được tìm thấy trong các mỏ than (như mêtan than).[8] Đôi khi nó chứa một lượng đáng kể etan, prôpan, butan và pentane - các hydrocacbon nặng được loại bỏ để sử dụng trong thương mại trước khi mêtan được bán dưới dạng nhiên liệu tiêu dùng hoặc nguyên liệu thực vật hóa học không chứa hydrocacbon như cacbon điôxít, nitơ, heli (hiếm khi) và hydro sulfua cũng phải được loại bỏ trước khi khí thiên nhiên có thể được vận chuyển.[9]

Khí thiên nhiên được chiết xuất từ giếng dầu được gọi là khí vỏ bọc (đã hoặc không thực sự tạo ra các lò xo và thông qua một đầu ra của vỏ bọc) hoặc khí liên quan. Ngành công nghiệp khí thiên nhiên đang khai thác một lượng khí ngày càng tăng từ các loại tài nguyên: khí chua, khí chặt, khí đá phiến và khí mêtan.

Có một số bất đồng ở các quốc gia có trữ lượng khí lớn nhất. Các nguồn tin cho rằng Nga có trữ lượng lớn nhất đã được chứng minh thông qua CIA Hoa Kỳ (47 600 km³),[10] Cơ quan Thông tin Năng lượng Hoa Kỳ (47 800 km³),[11] và OPEC (48 700 km³).[12] Tuy nhiên, BP ghi nhận Nga chỉ với 32 900 km³,[13] nó ở vị trí thứ 2, sau Iran (33 100 - 33 800 km³, tùy thuộc vào nguồn gốc). Với Gazprom, Nga thường là nhà khai thác khí tự nhiên lớn nhất thế giới. Các nguồn tài nguyên chính đã được chứng minh (tính bằng km3) là trên thế giới: 187 300 (2013), Iran: 33 600 (2013), Nga: 32 900 (2013), Qatar: 25 100 (2013), Turkmenistan: 17 500 (2013) và Hoa Kỳ: 8500 (2013).

Người ta ước tính có khoảng 900 000 km³ khí "mới" như khí đá phiến, trong đó có 180 000 km³ [14] có thể phục hồi được. Đổi lại, nhiều nghiên cứu từ MIT, Black & Veatch và DOE dự đoán rằng khí tự nhiên sẽ chiếm 1 phần lớn hơn của phát điện và nhiệt trong tương lai.[15]

Lĩnh vực khí đốt lớn nhất thế giới là khu vực South Pars / North Dome Gas-Condensate ngoài khơi, được chia sẻ giữa Iran và Qatar. Ước tính có 51.000 km khối khí tự nhiên và 50 tỷ thùng (7,9 tỷ m3) khí ngưng tụ tự nhiên.

Bởi vì khí thiên nhiên không phải là sản phẩm tinh khiết, khi áp suất hồ chứa giảm, khí không liên quan được chiết xuất từ 1 trường dưới điều kiện siêu tới hạn (áp suất / nhiệt độ), các thành phần trọng lượng phân tử cao hơn có thể ngưng tụ một phần. Khi ngưng tụ đẳng nhiệt - 1 hiệu ứng gọi là ngưng tụ ngược. Chất lỏng do đó hình thành có thể bị mắc kẹt khi các lỗ của bình chứa khí bị cạn kiệt. 1 phương pháp để đối phó với vấn đề này là bơm lại khí khô không ngưng tụ để duy trì áp suất dưới lòng đất, để cho bay hơi và chiết tách các chất ngưng tụ. Thường xuyên hơn, chất lỏng ngưng tụ ở bề mặt, và một trong những nhiệm vụ của nhà máy khí là thu gom chất ngưng tụ này. Chất lỏng thu được được gọi là chất lỏng khí tự nhiên (NGL) và có giá trị thương mại.

Khí đá phiến

Khí đá phiến là khí thiên nhiên được sản xuất từ đá phiến sét. Bởi vì đá phiến có độ thấm ma trận quá thấp, không cho phép khí chảy với số lượng kinh tế, các giếng khí đá phiến phụ thuộc vào các khe nứt để cho phép khí chảy. Các giếng khí đá phiến sớm phụ thuộc vào các đứt gãy tự nhiên thông qua đó dòng khí chảy ra; gần như tất cả các giếng khí đá phiến ngày nay yêu cầu “gãy xương nhân tạo” được tạo ra bằng cách bẻ gãy thủy lực. Từ năm 2000, khí đá phiến đã trở thành nguồn khí thiên nhiên chính ở Hoa Kỳ và Canada.[16] Do sản lượng khí đá phiến tăng cao, Hoa Kỳ hiện là nhà sản xuất khí tự nhiên số một trên thế giới.[17] Sau thành công tại Hoa Kỳ, thăm dò khí đá phiến đang bắt đầu ở các nước như Ba Lan, Trung Quốc và Cộng hòa Nam Phi.[18][19][20]

Khí đốt nhà máy (khí đốt)

Khí đốt nhà máy là một loại nhiên liệu khí dễ cháy được tạo ra bởi quá trình chưng cất phá hủy than. Nó chứa nhiều loại khí nhiệt bao gồm hydro, cacbon monoxit, mêtan và các hydrocacbon dễ bay hơi khác, cùng với một lượng nhỏ khí không nhiệt lượng như cacbon điôxít và nitơ, và được sử dụng theo cách tương tự như khí thiên nhiên. Đây là một công nghệ lịch sử và thường không cạnh tranh về kinh tế với các nguồn khí đốt khác ngày nay.

Hầu hết các nhà chứa khí đốt nằm ở phía đông Hoa Kỳ vào cuối thế kỷ XIX và đầu thế kỷ XX là lò than cốc với sản phẩm đơn giản là làm nóng than bitum trong các buồng kín khí. Khí thải từ than được thu thập và phân phối thông qua mạng lưới đường ống đến nhà ở và các tòa nhà khác, nơi nó được sử dụng để nấu ăn và thắp sáng. (Khí nóng đã không được sử dụng rộng rãi cho đến nửa cuối thế kỷ 20.) Than đá (hoặc nhựa đường) được thu thập ở đáy lò khí đốt thường được sử dụng để lợp mái và các mục đích chống thấm khác, trộn với cát và sỏi được sử dụng cho các đường phố lát đá.

Khí Biogas

Vi khuẩn Metanogenic Archaea chịu trách nhiệm cho tất cả các nguồn sinh học của mêtan. Một số sống trong các mối quan hệ cộng sinh với các dạng sống khác, bao gồm mối, động vật nhai lại và các loại cây trồng. Các nguồn khí mêtan khác, thành phần chính của khí thiên nhiên, bao gồm khí bãi rác, khí sinh học và mêtan hydrat. Khi khí giàu mêtan được tạo ra bởi sự phân hủy yếm khí của vật chất hữu cơ không phải hóa thạch (sinh khối), chúng được gọi là khí sinh học (hoặc khí biogas tự nhiên). Các nguồn khí sinh học bao gồm đầm lầy và bãi chôn lấp, cũng như các chất thải nông nghiệp như bùn thải và phân bón bằng cách xử lý kỵ khí, ngoài quá trình lên men ruột, đặc biệt là ở bò. Khí bãi rác được tạo ra bằng cách phân hủy chất thải tại các bãi rác, loại trừ hơi nước, khoảng 1 nửa lượng khí thải là khí mêtan và phần lớn còn lại là khí cacbon điôxít, với một lượng nhỏ nitơ, oxy và hydro, và lượng thay đổi của hydro sulfua và siloxan. Nếu khí không được loại bỏ, áp lực có thể lên cao đến mức nó hoạt động trên bề mặt, gây thiệt hại cho bãi rác, mùi khó chịu, thảm thực vật chết và nguy cơ nổ. Khí có thể bay vào khí quyển, bùng cháy hoặc đốt cháy để sản xuất điện hoặc nhiệt. Khí biogas cũng có thể được sản xuất bằng cách tách các vật liệu hữu cơ khỏi chất thải mà nếu không thì sẽ chuyển đến bãi rác. Phương pháp này hiệu quả hơn là chỉ thu được khí bãi rác mà nó tạo ra. Các đầm kỵ khí tạo ra khí sinh học từ phân chuồng, trong khi các lò phản ứng biogas có thể được sử dụng cho phân chuồng hoặc các bộ phận của cây trồng. Giống như khí bãi rác, khí sinh học chủ yếu là mêtan và cacbon điôxít, với một lượng nhỏ nitơ, oxy và hydro. Tuy nhiên, ngoại trừ thuốc trừ sâu, thường có mức chất gây ô nhiễm thấp hơn.

Khí bãi rác không thể được phân phối thông qua đường ống dẫn khí thiên nhiên trừ khi nó được làm sạch tới dưới 3% CO2, và một vài phần triệu H2S, vì CO2 và H2S ăn mòn các đường ống. Sự hiện diện của CO2 sẽ làm giảm mức năng lượng của khí yêu cầu đối với đường ống. Siloxan trong khí sẽ hình thành trong việc đốt khí và cần phải được loại bỏ trước khi đi vào bất kỳ hệ thống phân phối hoặc truyền tải khí nào. Do đó, để tiết kiệm khí đốt tại chỗ hoặc trong khoảng cách ngắn của bãi rác ta có thể sử dụng một đường ống chuyên dụng. Hơi nước thường được loại bỏ, ngay cả khi khí được đốt cháy tại chỗ. Nếu nhiệt độ thấp ngưng tụ nước ra khỏi khí, siloxan có thể được hạ xuống cũng bởi vì chúng có xu hướng ngưng tụ với hơi nước. Các thành phần phi mêtan khác cũng có thể được loại bỏ để đáp ứng các tiêu chuẩn khí thải, để ngăn chặn sự bẩn thỉu của thiết bị hoặc để xem xét môi trường. Đồng đốt khí bãi rác với khí tự nhiên cải thiện quá trình đốt cháy, làm giảm lượng khí thải.

Khí sinh học, và đặc biệt là khí bãi rác, đã được sử dụng ở một số khu vực, nhưng việc sử dụng chúng có thể được mở rộng đáng kể. Các hệ thống thử nghiệm đã được đề xuất sử dụng ở các vùng của Hertfordshire (Anh) và Lyon (Pháp). Khí được tạo ra trong các nhà máy xử lý nước thải thường được sử dụng để tạo ra điện. Ví dụ, nhà máy xử lý nước thải Hyperion ở Los Angeles đốt cháy 8 triệu feet khối (230.000 m3) khí mỗi ngày để tạo ra điện cho Thành phố New York sử dụng khí để chạy thiết bị trong các nhà máy xử lý nước thải, để sản xuất điện và trong lò hơi. Sử dụng khí thải để sản xuất điện không chỉ giới hạn ở các thành phố lớn, thành phố Bakersfield, California, sử dụng đồng phát tại các nhà máy thoát nước của nó. California có 242 nhà máy xử lý nước thải, 74 trong số đó đã lắp đặt các thiết bị kỵ khí. Tổng công suất sinh học từ 74 nhà máy là khoảng 66 MW.[21]

Khí tự nhiên tinh thể - hydrat

Một lượng lớn khí tự nhiên (chủ yếu là mêtan) tồn tại ở dạng hydrat dưới trầm tích trên các thềm lục địa ngoài khơi và trên đất ở các vùng bắc cực trải qua băng vĩnh cửu, chẳng hạn như ở Siberia. Hydrat đòi hỏi một sự kết hợp của áp suất cao và nhiệt độ thấp để hình thành.

Trong năm 2010, chi phí chiết xuất khí thiên nhiên từ khí tự nhiên kết tinh được ước tính bằng gấp đôi chi phí chiết xuất khí thiên nhiên từ các nguồn thông thường, và thậm chí cao hơn từ các mỏ ngoại lai.

Trong năm 2013, Tổng công ty Dầu khí Quốc gia Nhật Bản (JOGMEC) đã thông báo rằng họ đã thu hồi lượng khí thiên nhiên có liên quan đến mặt thương mại từ mêtan hydrat.[22]