天然ガス：採掘から配給まで——包括的概観

概要

天然ガスは地中深くで有機物の熱分解により生成された可燃性炭化水素の混合物です。石油と共存することが多いですが、石油を伴わない大規模埋蔵も存在します。清浄で効率的な燃焼特性により、家庭用暖房・調理から幅広い産業プロセスまでの基盤となっています。

歴史

天然ガスは数千年来人類を魅了してきました。初期文明は岩石と泉からの発光浸出を観察し、落雷で着火することから「地からの火」伝説が生まれました。紀元前900年頃、中国の技術者が井戸からガスを採掘し、海水蒸発による製塩に利用。1世紀頃には竹芯金属ビットで4,800フィート（1,460m）の深度に達する高度な掘削技術を開発していました。

ローマ人も天然ガスを認知しており、ユリウス・カエサルがフランス・グルノーブル近郊で「燃える泉」を目撃したと伝えられます。初期ロシアでは天然ガス浸出で燃え続ける炎を囲んで神殿が建てられました。

米国では1821年、ウィリアム・ハートがニューヨーク州カナダウェイクリークで初の意図的ガス井を掘削、中空丸太でガスを配管し照明に利用。1865年フレドニア・ガス・ライト・ウォーターワークス社が米国初のガス会社に。1872年、ガス田からロチェスターへ25マイル（40km）パイプライン——これも中空丸太——が敷設。バンゼンバーナー（1885年）が暖房・調理用ガスへの関心を喚起。1891年、インディアナ中部の高圧ガス田からシカゴへ120マイル（192km）パイプラインが延伸。

初期は配給網不備でガスはローカル商品に留まりました。1910年代、石油会社がガス放出による損失を認識し主要都市へパイプライン敷設を開始。第二次世界大戦後になって全国ネットワークが出現し、天然ガスが電気と石炭の競争力ある代替となりました。

現在、米国では600以上の処理プラントと30万マイル（48万km）の幹線パイプラインを運営。旧ソ連、カナダ、中国、アラビア湾にも大規模埋蔵が存在します。

原材料

原料天然ガスは主にメタンで、エタン、プロパン、ブタン、その他炭化水素を伴います。また水蒸気、硫化水素、二酸化炭素、窒素、微量ヘリウムを含むことも。

処理工程で多くの成分が除去または分離販売されます。エタン、プロパン、ブタン、硫化水素、ヘリウムはしばしば分離回収。水蒸気、CO₂、窒素は品質向上と輸送容易化のため除去。

最終製品は主にメタンとエタンで、臭気検知用にメルカプタン等を添加。

製造プロセス

採掘

• 1 一部埋蔵層は十分な圧力を持ちガスが自然に地表へ流出。大半の井戸ではポンピング必要。最も一般的なポンプは長いロッドに接続されたピストンを揺動ビームで駆動するもの——通称「馬頭ポンプ」。
• 2 地表で油（存在する場合）と分離、中央処理プラントへ送られる。数百本の井戸が単一施設に集約されることも。

処理

• 3 米国では天然ガスの約75%が石油非共存埋蔵層由来で、処理が簡素化。原料ガスは通常泥砂と水蒸気を含む。フィルターまたはトラップで固形物除去、乾燥塔（アルミナ、シリカゲル）または液体乾燥剤（グリコール）で脱水後、さらなる処理または輸送パイプライン直送へ。
• 4 重質炭化水素——プロパン、ブタン——を灯油類似オイル使用の低温吸収塔で回収。オイルが凝縮しプロパン約85%、ブタンほぼ全量を捕捉。軽質ガスは塔頂から排出。オイルを蒸留し、分留塔で炭化水素を分離。
• 5 ガスストリームはメタン、エタン、少量プロパン、微量CO₂、H₂S、N₂等を含む状態に。エタンは極低温圧縮/膨張サイクルでさらに分離可能、残留水蒸気は追加脱水工程で低減。
• 6 高CO₂またはH₂S含有時、化学スクラバー塔でモノエタノールアミンを導入、酸性ガスと反応させ後工程で排出処理。
• 7 窒素は不燃性希釈ガスとして、CO₂とH₂S除去後、低温蒸留で除去——総合的な「アップグレード」プロセスでより清浄・高エネルギーガスを生成。
• 8 ヘリウム回収は窒素除去後に複雑な極低温蒸留精製ループで実施、天然ガスを米国主要ヘリウム供給源に。

輸送

• 9 処理ガスにメルカプタン添加で漏洩検知可能化、コンプレッサーステーションで圧力を200〜1,500psi（1,380〜10,350kPa）に昇圧。地下幹線パイプライン——直径20〜42インチ（51〜107cm）——が数千マイル延び、約100マイル（160km）ごとにコンプレッサーステーションで摩擦損失圧力を回復。
• 10 目的地付近で地下貯蔵（枯渇埋蔵層、帯水層、塩類ドーム）に注入し、季節需要変動を吸収。

配給

• 11 貯蔵からローカル配給パイプラインへ、圧力最大1,000psi（6,900kPa）でルーティング。
• 12 都市網向けに60psi（410kPa）未満へ減圧、さらに個別家庭・事業所向けに約0.25psi（1.7kPa）まで減圧。

品質管理

天然ガスは高可燃性で、大量漏洩が瞬間着火すれば爆発の危険。突然の漏洩と長時間窒息で死亡事故が発生しています。リスク軽減のため臭気剤（メルカプタン）添加、高圧パイプライン上方数フィートに明るい黄色警告テープ埋設、地上標識でパイプライン位置を市民に警告。

将来展望

天然ガスの低排出プロファイルは自動車代替燃料として有望。圧縮天然ガス（CNG）車両隊が世界中で稼働中。また多くの高温産業プロセス——鉄鋼、ガラス、セメント、化学、アルミニウム、食品加工——が大気汚染削減のため天然ガスへ移行しています。