Khí thiên nhiên

Khí thiên nhiên (còn gọi là khí gas, khí ga -từ chữ gaz trong tiếng Pháp), hỗn hợp chất khí cháy được, bao gồm phần lớn là các hydrocarbon (hợp chất hóa học chứa cacbon và hyđrô). Cùng với than đá, dầu mỏ và các khí khác, khí thiên nhiên là nhiên liệu hóa thạch. Khí thiên nhiên có thể chứa đến 85% mêtan (CH₄) và khoảng 10% êtan (C₂H₆), và cũng có chứa số lượng nhỏ hơn propan (C₃H₈), butan (C₄H₁₀), pentan (C₅H₁₂), và các alkan khác. Khí thiên nhiên, thường tìm thấy cùng với các mỏ dầu ở trong vỏ Trái Đất, được khai thác và tinh lọc thành nhiên liệu cung cấp cho khoảng 25% nguồn cung năng lượng thế giới.

Khí thiên nhiên chứa lượng nhỏ các tạp chất, bao gồm điôxít cacbon (CO₂), hyđrô sulfit (H₂S), và nitơ (N₂). Do các tạp chất này có thể làm giảm nhiệt trị và đặc tính của khí thiên nhiên, chúng thường được tách ra khỏi khí thiên nhiên trong quá trình tinh lọc khí và được sử dụng làm sản phẩm phụ.

Sử dụng

Khí thiên nhiên được sử dụng làm nhiên liệu và nguyên liệu đầu vào cho ngành chế biến hóa chất. Là một nhiên liệu gia dụng, nó được đốt trong các bếp ga, lò ga để nấu nướng, sấy khô. Là một nhiên liệu công nghiệp, khí thiên nhiên được đốt trong các lò gạch, gốm và lò cao sản xuất xi măng. Khí thiên nhiên còn được sử dụng để đốt các lò đốt các tua-bin nhiệt điện để phát điện cũng như các lò nấu thủy tinh, lò luyện kim loại và chế biến thực phẩm.

Khí thiên nhiên được sử dụng làm nguyên liệu đầu vào cho ngành hóa dầu để tạo ra các chất hóa dầu. Các chất hóa dầu này được sử dụng làm sản phẩm cơ sở cho việc sản xuất phân đạm, bột giặt, dược phẩm, chất dẻo và nhiều loại hàng hóa khác.

Lịch sử

Con người đã sử dụng khí tự nhiên trong nhiều thế kỷ. Các ghi chép lịch sử đã cho thấy khí thiên nhiên đã được đốt ở Trung Quốc năm 250. Vào thế kỷ 17, khí thiên nhiên đã được sử dụng để sưởi ấm và chiếu sáng ở miền Bắc Ý. Ở Hoa Kỳ, khí thiên nhiên lần đầu đã được phát hiện ở FredoniaNew York, năm 1821.

Do khí thiên nhiên ở dạng khí khó vận chuyển bằng các phương tiện thông thường, trong lịch sử khí thiên nhiên đã được sử dụng ở các khu vực gần mỏ khí. Khi ngành công nghiệp dầu khí phát triển vào thế kỷ 19 và thế kỷ 20, khí thiên nhiên được phát hiện cùng dầu mỏ (khí đồng hành) từ các mỏ ngầm thường được xử lý như chất phụ phẩm phế thải và thường được đốt bỏ ngay trên giàn khoan. Ngày nay, khí thiên nhiên được vận chuyển thông qua các mạng lưới đường ống dẫn khí rộng lớn hoặc được hóa lỏng và chở bằng tàu bồn.

Sự hình thành khí thiên nhiên

Khí thiên nhiên được tạo ra từ sinh vật phù du, các vi sinh vật sống dưới nước bao gồm tảo và động vật nguyên sinh. Khi các vi sinh vật này chết đi và tích tụ trên đáy đại dương, chúng dần bị chôn đi và xác của chúng được nén dưới các lớp trầm tích. Trải qua hàng triệu năm, áp suất và nhiệt do các lớp trầm tích chồng lên nhau tạo nên trên xác các loại sinh vật này đã chuyển hóa hóa học các chất hữu cơ này thành khí thiên nhiên.

Do dầu mỏ và khí thiên nhiên thường được tạo ra bằng các quá trình tự nhiên tương tự nhau, hai loại hydrocarbon này thường được tìm thấy cùng nhau ở trong các bể chứa ngầm tự nhiên. Sau khi dần được tạo nên trong lòng vỏ Trái Đất, dầu mỏ và khí thiên nhiên đã dần chui vào các lỗ nhỏ của các tầng đá xốp xung quanh, những tầng đá xốp này có vai trò như các bể chứa tự nhiên. Do các lớp đá xốp này thường có nước chui vào, cả dầu mỏ và khí tự nhiên, vốn nhẹ hơn nước và kém dày đặc hơn các tầng đá xung quanh nên chúng chuyển lên trên qua lớp vỏ, đôi khi cách xa nơi chúng được tạo ra. Cuối cùng, một số hydrocacbon này bị bẫy lại bởi các lớp đá không thấm (đá không xốp), các lớp đã này được gọi là đá "mũ chụp". Khí thiên nhiên nhẹ hơn dầu mỏ, do đó nó tạo ra một lớn nằm trên dầu mỏ. Lớp khí này được gọi là "mũ chụp khí".

Các lớp than đá có chứa lượng mêtan đáng kể, mêtan là thành phần chính của khí thiên nhiên. Trong các trữ lượng than đá, mêtan thường thường bị phân tán vào các lỗ các vết nứt của tầng than. Khí thiên nhiên này thường được gọi là khí mêtan trong tầng than đá (coal-bed methane).

Hiện diện

Bản đồ sản lượng khí thiên nhiên theo quốc gia (các quốc gia màu nâu và tiếp theo là màu đỏ là những quốc gia có sản lượng lớn nhất)

Khí thiên nhiên đã được phát hiện trên khắc các châu lục, ngoại trừ châu Nam Cực. Trữ lượng khí thiên nhiên thế giới tổng cộng vào khoảng 150 tỷ tỷ m³ (150 × 10¹⁸). Trữ lượng khí thiên nhiên lớn nhất, tổng cộng 48 tỷ tỷ m³ đang nằm ở Nga. Trữ lượng lớn thứ nhì thế giới, 50 tỷ tỷ m³, nằm ở Trung Đông. Các mỏ có trữ lượng khác nằm ở các nơi khác ở châu Á, châu Phi và Úc.

Trữ lượng khí thiên nhiên ở Hoa Kỳ tổng cộng 5 tỷ tỷ m³. Theo xếp hạng trữ lượng khí thiên nhiên theo từng bang từ cao xuống thấp, các mỏ khí thiên nhiên lớn đã được phát hiện ở: Texas, Vịnh Mexico ngoài khơi Louisiana, ở Oklahoma, ở New Mexico, ở Wyoming và ở Vịnh Prudhoe của Bắc Slope ở bang Alaska. Ở Canada, tổng trữ lượng khí tự nhiên là 1,7 tỷ tỷ m³. Phần lớn trữ lượng khí tự nhiên ở Canada nằm ở Alberta.

Phân loại

Khí thiên nhiên là một loại khí không màu sắc và được phân loại tùy theo thành phần của nó. Khí khô có chứa tỷ lệ mêtan cao còn khí ướt có chứa đáng kể khối lượng hydrocacbon có phân tử lượng cao hơn thuộc nhóm ankan, bao gồm êtan, propan, và butan. Phần cặn lắng của khí là phần còn lại sau khi các ankan đã được rút khỏi khí ướt. Khí chua là khí chứa nồng độ hyđrô sulfít cao (đây là một chất khí không màu, độc có mùi trứng thối). Khí ngọt là khí có chứa ít chất hyđrô sulfít.

Các chất không phải là hyđrô cacbon trong khí thiên nhiên được là các chất làm loãng và chất gây ô nhiễm. Các chất làm loãng bao gồm các loại khí và hơi như: nitơ, điôxít cacbon và hơi nước. Các chất gây ô nhiễm bao gồm các hyđrô sulfít và các hợp chất lưu huỳnh khác. Các chất gây ô nhiễm có thể phá hoại các thiết bị sản xuất và vận chuyển. Nếu được đốt, các chất gây ô nhiễm có thể gây ra các vấn đề như ô nhiễm không khí và mưa axít. Mưa axít được tạo thành khi các hợp chất lưu huỳnh trong khí thiên nhiên và các loại nhiên liệu hóa thạch khác như than đá bị đốt và phản ứng với hơi ẩm trong không khí để tạo nên axít sulphuric (H₂SO₄). Hỗn hợp hơi ẩm axít này rơi xuống đất khi trời mưa gây hư hại cho mùa màng và rừng, hồ, suối, sông.

Khai thác

Để định vị được các mỏ khí, các nhà địa chất học thăm dò những khu vực có chứa những thành phần cần thiết cho việc tạo ra khí thiên nhiên: đá nguồn giàu hữu cơ, các điều kiện chôn vùi đủ cao để tạo ra khí tự nhiên từ các chất hữu cơ, các kiến tạo đá có thể "bẫy" các hyđrôcacbon.

Khi các kiến tạo địa chất có thể chứa khí tự nhiên được xác định, thông thường chứ không phải luôn ở bể trầm tích, người ta tiến hành khoan các giếng các kiến tạo đá. Nếu giếng khoan đi vào lớp đá xốp có chứa trữ lượng đáng kể khí thiên nhiên, áp lực bên trong lớp đá xốp có thể ép khí thiên nhiên lên bề mặt. Nhìn chung, áp lực khí thường giảm sút dần sau một thời gian khai thác và người ta phải dùng bơm hút khi lên bề mặt.

Chế biến khí thiên nhiên

Một nhà máy xử lý khí thiên nhiên

Khi khí thiên nhiên được khai thác khỏi mặt đất, nó được vận chuyển bằng đường ống dẫn khí đến một nhà máy tinh lọc và xử lý, nơi nó được chế biến.

Khí thiên nhiên được chế biến bằng các thiết bị tách lọc khí để loại bỏ các hợp chất không phải là hyđrôcacbon, đặc biệt là hyđrô sulfít và điôxít cacbon. Hai quá trình sử dụng cho mục đích này là hấp thụ và hút bám (absorption and adsorption).

Quá trình hấp thụ sử dụng một chất lỏng hấp thụ khí tự nhiên và các tạp chất và phân tán chúng trong chất lỏng này. Trong một quá trình được gọi là hấp thụ hóa học, các tạp chất phản ứng với chất lỏng hấp thụ. Khí thiên nhiên sau đó thoát ra khỏi chất hấp thụ còn chất hấp thụ còn tạp chất ở lại trong chất lỏng. Các chất lỏng hấp thụ thường được sử dụng là nước, các dung dịch amin nước (aqueous amine) và cacbonat natri.

Quá trình hút bám là một quá trình cô đặc khí tự nhiên trên bề mặt một chất rắn hoặc một chất lỏng để loại bỏ tạp chất. Một chất thường được sử dụng cho mục đích này là cacbon (than), là chất có diện tích bề mặt trên đơn vị trọng lượng rộng. Ví dụ, các hợp chất lưu huỳnh trong phí tự nhiên được bề mặt hấp thụ của cacbon giữ lấy. Các hợp chất lưu huỳnh được kết hợp với hyđrô và ôxi để tạo thành axít sulphuric và có thể loại bỏ.

Sau khi các tạp chất đã được loại bỏ trong các thiết bị tách lọc, khí thiên nhiên được vận chuyển đến các nhà máy chế biến nơi các hợp chất như êtan, butan và các chất khác được tách ra để sử dụng cho nhiều mục đích khác nhau. Các chất êtan, propan, và butan được sử dụng rộng rãi trong ngành hóa dầu.

Vận chuyển và tàng trữ

Sau khi được chế biến, khí thiên nhiên được vận chuyển bằng các đường ống dẫn khí đến các hộ tiêu thụ là các khu dân cư hay các khu công nghiệp. Khi khí di chuyển trong lòng ống, sự ma sát của khí lên thành ống làm giảm lưu lượng khí. Do đó, các trạm nén được lắp đặt dọc theo tuyến ống để bổ sung áp lực cần thiết đủ giữ cho khí di chuyển đến nơi yêu cầu.

Một khi khí đã đến nơi tiêu thụ, các công ty khí đốt thường chứa vào các bồn bể để cung cấp cho thị trường vào giờ cao điểm. Ví dụ khi thời tiết lạnh thì nhu cầu tiêu thụ khí tự nhiên thường vượt quá số lượng đường ống có thể vận chuyển từ các nhà máy chế biến khí thiên nhiên. Do đó, các công ty kinh doanh khí đốt thường chứa khí thiên nhiên vào các bể chứa lớn chịu áp lực cao hoặc chứa vào các tầng đá xốp. Trong nhiều trường hợp, các khu vực tàng trữ khí thiên nhiên được sử dụng là các mỏ than hoặc các giếng dầu đã bị bỏ hoang. Khi cần, người ta lại bơm lên mặt đất.

Khí thiên nhiên có thể được chở bằng tàu và tàng trữ dưới dạng khí hóa lỏng (LPG). Khí thiên nhiên được hóa lỏng ở nhiệt độ -160 °C (-256 °F). Khí thiên nhiên chiếm thể tích lớn hơn 600 lần lớn hơn so với dạng lỏng của nó. Khí hóa lỏng được vận chuyển bằng tàu bồn và xe bồn.

Các dự án khai thác khí lớn ở Việt Nam

• Đường ống dẫn khí Nam Côn Sơn
• Dự án Khí - Điện - Đạm Cà Mau
• Dự án đường ống dẫn khí Bạch Hổ
• Dự án đường ống dẫn khí Lô B - Ô Môn