داستان گاز مرداب
قرن ها پیش مردمان قدیم در مناطق روستایی و مرطوب متوجه ویژگی‌های عجیبی در آبگیرها و مرداب‌ها می‌شدند. شب‌هنگام، در کنار مرداب‌ها شعله‌های کوچک و نامرئی گاه و بیگاه بر سطح آب ظاهر می‌شدند؛ پدیده‌ای که مردم آن را به ارواح یا نشانه‌ای از اسرار طبیعت نسبت می‌دادند. این شعله‌های آبی و ناگهانی که با هر بادی خاموش و روشن می‌شدند،و این مردم را به وحشت می‌انداخت.
اما قرن ها بعد با پیشرفت علم دانشمندان متوجه شدند که این شعله ها ناشی از اشتعال گازی به نام متان است که به گاز مرداب نیز مشهور شد. امروز، این گاز نه تنها در صنایع مختلف و تولید انرژی کاربرد دارد، بلکه به دلیل اثرات زیست‌محیطی خود، توجهات بسیاری را به خود جلب کرده است. از “گاز مرداب” تا یکی از مهم‌ترین عوامل گرمایش جهانی،گاز متان در طول تاریخ مسیر طولانی‌ای پیموده و همچنان به عنوان عنصری حیاتی و در عین حال چالش‌برانگیز در دنیای مدرن شناخته می‌شود.
ساختار مولکولی گاز متان
- مولکول متان (CH₄) دارای ساختار چهاروجهی است که در آن یک اتم کربن در مرکز قرار گرفته و با چهار پیوند کووالانسی به چهار اتم هیدروژن متصل است. این ساختار به متان پایداری بالایی می‌دهد.
- زاویه بین پیوندهای C-H در مولکول متان ۱۰۹.۵ درجه است که باعث تقارن و پایداری مولکول می‌شود.
- به دلیل توزیع یکنواخت الکترون‌ها در اطراف اتم کربن و تقارن چهاروجهی، متان یک مولکول غیرقطبی است که در آب حل نمی‌شود و تمایل به جذب سایر مولکول‌های غیرقطبی دارد.
- انتالپی پیوند (یا انرژی پیوند) پیوند کربن-هیدروژن (C-H) در مولکول متان حدود ۴۱۳ کیلوژول بر مول است.
خصوصیات فیزیکی
| جرم مولی | ۱۶.۰۴ گرم بر مول |
| نقطه جوش | -۱۶۱.۵ درجه سانتی‌گراد (۱۱۱.۶ کلوین) |
| نقطه ذوب | -۱۸۲.۵ درجه سانتی‌گراد (۹۰.۷ کلوین) |
| چگالی (در شرایط استاندارد) | ۰.۶۵۶ کیلوگرم بر متر مکعب |
| حالت در دمای اتاق | گاز |
| حلالیت در آب (در ۲۵ درجه سانتی‌گراد) | ۲۲.۷ میلی‌گرم در لیتر |
خصوصیات شیمیایی
| آنتالپی احتراق | -۸۹۰.۳ کیلوژول بر مول برای تبدیل CH₄ + ۲O₂ → CO₂ + ۲H₂O)) |
| عدد اکتان | حدود ۱۲۰-۱۳۰ (که نشان‌دهنده پایداری احتراقی بالاست) |
| ظرفیت حرارتی ویژه | ۳۵.۶۹ ژول بر مول بر کلوین (در دمای ۲۵ درجه سانتی‌گراد) |
کاربرد های گاز متان
- تولید انرژی و برق: سوخت نیروگاه‌های تولید برق و مصارف خانگی مانند گرمایش و پخت‌وپز.
- سوخت وسایل نقلیه گازسوز (CNG): به‌ویژه برای خودروها و وسایل نقلیه سنگین.
- تولید هیدروژن: به عنوان ماده اولیه در فرآیند ریفرمینگ با بخار (SMR) برای تولید هیدروژن.
- تولید آمونیاک: در صنایع شیمیایی برای تولید کودهای شیمیایی و سایر ترکیبات.
- تولید متانول: به عنوان ماده پایه در تولید پلاستیک‌ها، مواد شیمیایی و سوخت‌ها.
- متان همراه با گاز پروپان ، به عنوان سوخت تحت عنوان “گاز مایع (P.G)” در صنایع پتروشیمی برای تولید انرژی استفاده می‌شود. این ترکیب گازی انرژی لازم برای فرآیندهای مختلف صنعتی را فراهم می‌کند و به دلیل قابلیت اشتعال و تولید حرارت بالا، گزینه‌ای کارآمد و رایج در صنعت پتروشیمی است.
نحوه نگهداری و ذخیره سازی گاز متان
امروزه از کربن فعال برای ذخیره سازی و نگهداری گاز متان در فشار پایین استفاده می شود.کربن فعال به دلیل داشتن سطح بسیار وسیع و تخلخل بالا، متان را از طریق جذب سطحی درون ساختار خود نگه می‌دارد. این روش که به عنوان ذخیره‌سازی با جذب (ANG) شناخته می‌شود، به مخازن اجازه می‌دهد متان را بدون نیاز به فشار بالا ذخیره کنند، که هم ایمنی بیشتری دارد و هم هزینه‌های فشرده‌سازی را کاهش می‌دهد. به همین دلیل، این روش برای ذخیره‌سازی متان در کاربردهای کوچک و کم‌حجم، مانند وسایل نقلیه گازسوز، گزینه‌ای مناسب و مقرون‌به‌صرفه است.
حمل و نقل
برای حمل و نقل گاز ها هر چه نقطه جوش بالاتر باشد می توان ساده تر آن گاز را مایع کرد تا حجم آن کاهش یابد. این موضوع باعث سهولت حمل و نقل گاز می‌شود.اما به دلیل نقطه جوش پایینی دارد و به همین دلیل هزینه حمل و نقل آن نسبت به گازهایی مانند گاز ایزوبوتان بیشتر است. در ادامه با روش های مختلف حمل و نقل گاز متان آشنا می‌شویم:
حمل و نقل از طریق خطوط لوله
در این روش، گاز متان از طریق شبکه‌ای از خطوط لوله جابه‌جا می‌شود و در طول مسیر، ایستگاه‌های تقویت فشار قرار دارند که با حفظ جریان و فشار گاز، انتقال پیوسته و مداوم آن را ممکن می‌سازند. این روش نیازمند زیرساخت‌ها و سرمایه‌گذاری گسترده است، اما به دلیل کارایی و هزینه عملیاتی پایین، یکی از بهترین و مقرون‌به‌صرفه‌ترین گزینه‌ها برای حمل و نقل داخلی گاز متان محسوب می‌شود.
حمل و نقل به صورت گاز طبیعی مایع (LNG)
حمل و نقل متان به صورت گاز طبیعی مایع (LNG) روشی کارآمد برای انتقال این گاز در مسافت‌های طولانی و مناطقی است که به شبکه‌های لوله‌کشی دسترسی ندارند. در این روش، گاز متان با سرد شدن تا دمای حدود منفی ۱۶۲ درجه سانتی‌گراد به حالت مایع تبدیل می‌شود، که حجم آن را تا ۶۰۰ برابر کاهش می‌دهد و حمل آن را در تانکرهای ویژه LNG بسیار آسان‌تر می‌سازد. این تانکرها دارای عایق‌بندی پیشرفته‌ای هستند که دمای پایین را حفظ کرده و از تبخیر گاز جلوگیری می‌کنند. حمل و نقل به صورت LNG برای صادرات بین‌المللی گاز و انتقال به مناطق دورافتاده گزینه‌ای مقرون‌به‌صرفه و ایمن به شمار می‌آید، هرچند نیازمند تجهیزات تخصصی و هزینه‌های قابل توجهی برای فرآیند مایع‌سازی و نگهداری است.
حمل و نقل به صورت گاز طبیعی فشرده (CNG)
حمل و نقل متان به صورت گاز طبیعی فشرده (CNG) روشی است که در آن گاز متان تحت فشار بسیار بالا (حدود ۲۰۰ تا ۲۵۰ بار) فشرده شده و در سیلندرهای مقاوم و مخصوص ذخیره می‌شود. این روش برای انتقال متان در مسافت‌های کوتاه‌تر و همچنین برای استفاده در خودروهای گازسوز و تامین گاز مناطقی که به شبکه لوله‌کشی دسترسی ندارند، کاربرد دارد. چون گاز در این حالت به حجم کمتری نسبت به حالت گازی معمولی می‌رسد، حمل آن اقتصادی‌تر می‌شود؛ اما همچنان در مقایسه با گاز طبیعی مایع (LNG) حجم بیشتری اشغال می‌کند. حمل و نقل CNG نیازی به سرمایش خاصی ندارد، اما به دلیل فشار بالا، به مخازن مقاوم و رعایت استانداردهای ایمنی ویژه نیازمند است.
حمل و نقل به صورت محصولات جانبی (GTL)
حمل و نقل متان به صورت محصولات جانبی (GTL) یا تبدیل گاز به مایع، روشی است که در آن گاز متان از طریق فرآیندهای شیمیایی به سوخت‌های مایع مانند دیزل، نفتا و سایر هیدروکربن های مایع تبدیل می‌شود. این روش امکان حمل و نقل و ذخیره‌سازی آسان‌تر و ایمن‌تر را فراهم می‌کند، زیرا محصولات GTL در حالت مایع به راحتی در مخازن استاندارد و با زیرساخت‌های معمول سوخت‌های مایع قابل جابجایی هستند.روش GTL برای انتقال گاز به مسافت‌های طولانی یا مناطقی که فاقد زیرساخت‌های لوله‌کشی هستند، گزینه‌ای مناسب و سودآور محسوب می‌شود، هرچند که به تجهیزات پیشرفته و سرمایه‌گذاری اولیه بالایی نیاز دارد.
حمل و نقل به صورت محصولات پتروشیمی (مانند متانول و آمونیاک)
حمل و نقل متان به صورت محصولات پتروشیمی مانند متانول و آمونیاک یکی از روش‌های مؤثر و اقتصادی برای انتقال غیرمستقیم گاز متان است. در این روش، گاز متان در محل تولید به مواد پتروشیمیایی با ارزش مانند متانول و آمونیاک تبدیل می‌شود که به دلیل حالت مایع و پایداری بیشتر، حمل و نقل آسان‌تر و ایمن‌تری دارند. متانول و آمونیاک در صنایع مختلفی مانند تولید کودهای شیمیایی، پلاستیک‌ها و مواد شیمیایی صنعتی کاربرد گسترده‌ای دارند و به دلیل نیاز به زیرساخت‌های ساده‌تر حمل و نقل در مقایسه با گاز طبیعی، به راحتی به بازارهای داخلی و بین‌المللی صادر می‌شوند. این روش علاوه بر تسهیل انتقال متان، از نظر اقتصادی نیز برای تولیدکنندگان سودآور است و ارزش افزوده بیشتری ایجاد می‌کند.
متان،یک گاز گلخانه ای
گاز متان (CH₄) به عنوان یکی از گازهای گلخانه‌ای با قدرت گرمایشی بالا، در فرآیندهای طبیعی و انسانی به جو وارد می‌شود و تأثیر عمده‌ای بر افزایش دمای جهانی دارد. توان گرمایش متان تقریباً ۲۵ برابر دی‌اکسید کربن (CO₂) در یک دوره ۱۰۰ ساله است، هرچند نیمه‌عمر کوتاه‌تری در جو دارد. این گاز عمدتاً از فعالیت‌های انسانی نظیر کشاورزی (بویژه دامپروری)، مدیریت پسماند و فرآیندهای استخراج سوخت‌های فسیلی به اتمسفر منتشر می‌شود. کاهش انتشار متان به دلیل اثربخشی بالای آن در کاهش گرمایش کوتاه‌مدت کره زمین، یک اولویت کلیدی در سیاست‌های اقلیمی است.
مقایسه گاز متان با گاز مایع
گاز متان و گاز LPG هر دو از جمله سوخت‌های پرکاربرد در صنایع مختلف و مصارف خانگی هستند، اما تفاوت‌های مهمی از نظر حمل و نقل، کاربری و خصوصیات فیزیکی دارند.
از نظر حمل و نقل، گاز مایع (LPG) به دلیل قابلیت مایع‌شدن در فشار نسبتاً پایین، به‌راحتی در سیلندرهای فشرده قابل حمل و ذخیره‌سازی است که این موضوع کار شرکت حمل گاز مایع را ساده‌تر می‌کند،علاوه بر آن این ویژگی باعث می‌شود LPG بتواند در مناطق دورافتاده و مکان‌هایی که زیرساخت لوله‌کشی گاز طبیعی وجود ندارد، به‌عنوان منبع سوخت استفاده شود. در مقابل، متان، به دلیل نقطه جوش پایین، برای مایع‌شدن نیاز به سرمایش شدید (حدود -۱۶۲ درجه سانتی‌گراد) و مخازن مخصوص عایق‌بندی شده دارد که هزینه و پیچیدگی بیشتری دارد. به همین دلیل، حمل و نقل متان در مقیاس وسیع معمولاً از طریق خطوط لوله انجام می‌شود و کمتر به صورت مایع جابه‌جا می‌شود.
از نظر کاربری، LPG که عمدتاً از پروپان و گاز بوتان تشکیل شده، انرژی بالاتری نسبت به متان دارد و می‌تواند به‌عنوان سوخت گرمایشی و پخت‌وپز در منازل و صنایع مورد استفاده قرار گیرد. در حالی که متان بیشتر به عنوان سوخت نیروگاه‌ها، سیستم‌های گرمایش شهری و همچنین به‌عنوان ماده خام در صنایع پتروشیمی به کار می‌رود.
در مجموع، هرچند هر دو گاز دارای ویژگی‌های خاص خود هستند، LPG به دلیل سهولت حمل و نقل و کاربردهای گسترده‌تر، گزینه‌ای مناسب‌تر برای مصارف خانگی و مناطقی بدون دسترسی به شبکه‌های لوله‌کشی است، در حالی که گاز متان بیشتر در مناطق صنعتی و از طریق شبکه‌های زیرساختی تأمین می‌شود.