天然ガス

---

背景

天然ガスは、植物や動物の有機物の分解によって地下に形成される可燃性ガスの混合物です。石油がほとんどまたはまったくない天然ガスの大きな地下貯留層がいくつかありますが、通常は石油が存在する地域で見られます。天然ガスは、暖房や調理だけでなく、さまざまな産業用途に広く使用されています。

歴史

天然ガスは、岩や泉からの浸透という形で初期の人間に知られていました。時々、雷または他の発火源がこれらのガスの浸透を燃やし、地面から発火する火の話を引き起こすでしょう。紀元前900年頃<小> 天然ガスは中国の井戸から引き出されました。ガスを燃やし、その熱で海水を蒸発させて塩を作りました。 1世紀までに、中国人は天然ガスの地下貯留層を利用するためのより高度な技術を開発しました。これにより、軟弱な土壌に4,800フィート（1,460 m）の深さの井戸を掘削することができました。彼らは、くり抜かれた竹パイプのセクションに挿入された金属製のドリルビットを使用してガスに到達し、ガスを表面に運びました。

ローマ人も天然ガスについて知っていました、そしてジュリアスシーザーはフランスのグルノーブルの近くで「燃える泉」を目撃したはずでした。初期のロシアの宗教的な寺院は、燃える天然ガスの浸透が「永遠の炎」を形成した場所の周りに建てられました。

米国では、1821年にウィリアムハートがニューヨーク州フレドニア近くのカナダウェイクリークの土手に沿って浅いガスポケットをタップするために井戸を掘削したときに、天然ガスの最初の意図的な使用が発生しました。彼はガスをくり抜かれた丸太を通して近くの建物にパイプで送り、そこで照明のためにそれを燃やした。 1865年、Fredonia Gas、Light、and Waterworks Companyは、米国で最初の天然ガス会社になりました。最初の長距離ガスパイプラインは、1872年にガス田からニューヨーク州ロチェスターまで25マイル（40 km）を走りました。それも、パイプにくり抜かれた丸太を使用していました。 1885年にロベルトブンゼンがブンゼンバーナーを開発したことで、照明に加えて、天然ガスを暖房や調理の源として使用することに関心が集まりました。 1891年、インディアナ州中部で高圧ガス鉱床が利用され、イリノイ州シカゴにガスを運ぶために120マイル（192 km）のパイプラインが建設されました。

これらの初期の努力にもかかわらず、天然ガスの優れた流通システムの欠如は、天然ガスが発見された地域にその使用を制限していました。より遠隔地での石油掘削の一環として地表に到達したガスのほとんどは、単に大気に放出されるか、昼夜を問わず油田を照らす巨大なフレアで燃え尽きました。 1910年代までに、石油会社はこの慣行が潜在的な利益を犠牲にしていることに気づき、米国中の大都市圏にガスパイプラインを設置する積極的なプログラムを開始しました。このパイプラインプログラムが、天然ガスを電気や石炭の魅力的な代替品にするのに十分な都市や町に到達したのは、第二次世界大戦後のことでした。

2000年までに、米国には600を超える天然ガス処理プラントがあり、300,000マイル（480,000 km）を超える主要な輸送パイプラインに接続されていました。世界中で、旧ソビエト連邦、カナダ、中国、および中東のアラビア湾諸国にも天然ガスの重要な鉱床があります。

原材料

生の天然ガスはいくつかのガスで構成されています。主成分はメタンです。他の成分には、エタン、プロパン、ブタン、および他の多くの可燃性炭化水素が含まれます。生の天然ガスには、水蒸気、硫化水素、二酸化炭素、窒素、ヘリウムも含まれている場合があります。

処理中に、これらのコンポーネントの多くが削除される場合があります。エタン、プロパン、ブタン、硫化水素、ヘリウムなどの一部は、部分的または完全に除去されて、個別の商品として処理および販売される場合があります。水蒸気、二酸化炭素、窒素などの他の成分は、天然ガスの品質を向上させるため、またはパイプラインを介してガスを長距離移動しやすくするために除去される場合があります。

得られた処理済み天然ガスには、「典型的な」天然ガスなどはありませんが、ほとんどがメタンとエタンが含まれています。特別な品質を与えるために、特定の他の成分を処理ガスに加えることができます。たとえば、メルカプタンと呼ばれる化学物質を添加して、ガスに独特の臭いを与え、漏れを警告します。

製造プロセス

天然ガスの抽出、処理、輸送、貯蔵、および流通に使用される方法は、原ガスの場所と組成、およびエンドユーザーによるガスの場所と用途によって異なります。これは、家庭用暖房および調理用の天然ガスを生産するために使用される典型的な一連の操作です。

抽出

• 1一部の地下天然ガス貯留層は、ガスが井戸を上って流れ、追加の支援なしに地表に到達できるほど十分な内圧下にあります。ただし、ほとんどの井戸では、ガス（および存在する場合は石油）を地表に運ぶためにポンプが必要です。最も一般的なポンプには、井戸の奥深くにあるピストンに取り付けられた長いロッドがあります。ロッドは交互に上向きに引っ張られ、垂直サポートの上でゆっくりと上下に揺れるビームによってウェルに押し戻されます。この構成は、ロッキングビームの端にある引っ張り機構の形状が馬の頭に似ているため、しばしば馬の頭ポンプと呼ばれます。
• 2生の天然ガスが地表に到達すると、存在する可能性のある石油から分離され、近くの中央ガス処理プラントにパイプで送られます。数百の井戸がすべて同じ植物に供給される可能性があります。

処理

• 3米国の天然ガスの約75％は、石油がほとんどまたはまったく存在しない地下の貯留層から供給されています。このガスは、油井からのガスよりも処理が簡単です。発生源に関係なく、ほとんどの天然ガスには汚れ、砂、水蒸気が含まれています。これらは、機器やパイプラインの汚染や腐食を防ぐために、さらに処理する前に除去する必要があります。汚れや砂は、井戸の近くにあるフィルターまたはトラップで取り除きます。水蒸気は通常、ガスをアルミナやシリカゲルなどの固体乾燥剤の顆粒で満たされた塔に通すか、グリコールなどの液体乾燥剤に通すことによって除去されます。洗浄および乾燥後、原料ガスをさらに処理するか、コンプレッサーステーションに直接送って主要な輸送パイプラインにポンプで送ることができます。
• 4原料天然ガスにプロパンやブタンなどのより重い炭化水素ガスが大量に含まれている場合、これらの材料は除去されて別売りになります。最も一般的な方法は、灯油と同様に、冷吸収油を含む背の高い閉じた塔に原料ガスを吹き込むことです。ガスが冷たいオイルと接触すると、より重い炭化水素ガスが凝縮して液体になり、オイルに閉じ込められます。メタンやエタンなどの軽い炭化水素ガスは、凝縮して液体にならず、塔の上部から流出します。プロパンの約85％と、ブタンおよびより重い炭化水素のほぼすべてがこの方法でトラップされます。次に、吸収油を蒸留して、トラップされた炭化水素を除去します。これらの炭化水素は、分留塔で個々の成分に分離されます。
• 5この時点で、天然ガスには、メタン、エタン、およびトラップされなかった少量のプロパンが含まれています。また、さまざまな量の二酸化炭素が含まれている可能性があります。 地下源から家庭での使用までの天然ガスの生産を示す図。硫化水素、窒素、およびその他の材料。エタンの一部は、さまざまな化学プロセスの原料として使用するために除去されることがあります。これを達成するために、ガス中の水蒸気は、いくつかの方法の1つを使用してさらに削減され、次にガスは、エタンを冷却して液体として捕捉するために、圧縮と膨張のサイクルを繰り返します。
• 6一部の天然ガスには、二酸化炭素と硫化水素が高い割合で含まれています。これらの化学物質は、ガス中に残っている水蒸気と反応して酸を形成し、腐食を引き起こす可能性があります。それらは、モノエタノールアミンなどの溶媒と混合された水のスプレーが上部に注入されている間に、ガスをタワーに流すことによって除去されます。溶媒は化学物質と反応し、溶液はさらなる処理のために塔の底から排出されます。
• 7一部の天然ガスには、高い割合の窒素も含まれています。窒素は燃焼しないため、天然ガスの発熱量が低下します。二酸化炭素と硫化水素が除去された後、ガスは低温蒸留プロセスを経て窒素を液化して分離します。ステップ6と7のプロセスを合わせて、天然ガスがよりクリーンになり、より高温で燃焼するため、ガスの「アップグレード」と呼ばれることもあります。
• 8ヘリウムガスを捕捉する場合は、窒素を除去した後に捕捉します。これには、ヘリウムを他のガスから分離するための複雑な蒸留および精製プロセスが含まれます。天然ガスは、米国の工業用ヘリウムの主要な供給源です。

輸送

• 9メルカプタンは、処理された天然ガスに注入されて独特の警告臭を発し、ガスはコンプレッサーステーションにパイプで送られ、そこで圧力が約200〜1,500 psi（1,380〜10,350 kPa）に上昇します。その後、ガスは地下に設置されたいくつかの主要なパイプラインの1つを介して国中を輸送されます。これらのパイプラインは、直径20〜42インチ（51〜107 cm）の範囲です。約100マイル（160 km）ごとに、別のコンプレッサーがガス圧力を上げて、ガスとパイプ壁の間の摩擦によって引き起こされる小さな圧力損失を補います。これにより、ガスが流れ続けます。
• 10加圧された天然ガスが最終目的地の近くに到達すると、貯蔵のために地面に注入されることがあります。枯渇した地下のガスと石油の貯留層、帯水層として知られる多孔質の岩層、または地下の塩の洞窟を使用してガスを貯蔵することができます。これにより、冬の寒い時期にすぐに供給できるようになります。

配布

• 11ガスが必要な場合、ガスは地下貯蔵庫から引き出され、最大1,000 psi（6,900 kPa）の圧力でパイプラインを介して輸送されます。これらのパイプラインは、ガスが使用される都市または地域にガスを運びます。
• 12圧力は60psi（410 kPa）未満に低下し、ガスは地域全体に延びる地下パイプに分配されます。ガスが各家庭や企業にパイプで送られる前に、圧力はさらに約0.25 psi（1.7 kPa）に下げられます。

品質管理

天然ガスは空気中で容易に燃焼し、大量に発火すると激しく爆発する可能性があります。建物全体は、天然ガスの漏れに起因する強力な爆風によって平準化されています。他のケースでは、人々は天然ガスでゆっくりと満たされた密室で窒息しました。天然ガスは無臭のため、悪臭のあるメルカプタンをガスに添加し、わずかな漏れでもすぐに目立ちます。高圧の地下ガスパイプラインを保護するために、明るい黄色のプラスチックテープがパイプラインの数フィート上の地面に埋められ、その地域を掘っている可能性のある人々に警告します。そうすれば、彼らは実際に下のパイプラインにぶつかる前にテープを発見します。追加の予防措置として、警告標識もパイプラインの全長に沿って地上に配置されています。

未来

天然ガスはクリーン燃焼であるため、自動車の代替燃料として検討されています。圧縮天然ガス（CNG）の自動車やトラックは、すでに多くの地域で道路に出ています。高温を必要とする産業プロセスを使用している企業も、自社のプラントから排出される大気汚染を減らすために、他の燃料ではなく天然ガスに目を向けています。これには、鉄鋼、ガラス、セラミック、セメント、紙、化学薬品、アルミニウム、および加工食品の製造に携わる企業が含まれます。