Gás Natural: Da Extração à Distribuição — Visão Abrangente

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Contexto

Gás natural é mistura de hidrocarbonetos combustíveis formados pela decomposição térmica de matéria orgânica profunda no subsolo. Frequentemente encontrado junto com petróleo, mas grandes reservatórios existem onde o petróleo está ausente. Sua combustão limpa e eficiente o torna pedra angular de aquecimento residencial, culinária e ampla gama de processos industriais.

História

Gás natural fascinou humanos por milênios. Civilizações antigas observaram vazamentos brilhantes de rochas e nascentes, às vezes inflamados por raios, gerando lendas de "fogo da terra". Por volta de 900 a.C., engenheiros chineses extraíram gás de poços, usando-o para evaporar água do mar para produção de sal. No primeiro século d.C., desenvolveram técnicas avançadas de perfuração, atingindo profundidades de 1.460 m (4.800 pés) com brocas de metal com núcleo de bambu.

Romanos também conheciam gás natural; Júlio César teria visto "nascentes ardentes" perto de Grenoble, França. Na Rússia antiga, templos foram construídos em torno de chamas perpétuas alimentadas por vazamentos de gás natural.

Nos Estados Unidos, William Hart perfurou o primeiro poço de gás intencional em 1821 no Canadaway Creek, Nova York, usando troncos ocos para canalizar gás para iluminação. A Fredonia Gas, Light, and Waterworks Company tornou-se a primeira empresa de gás dos EUA em 1865. Um gasoduto de 40 km (25 milhas) de um campo de gás a Rochester seguiu em 1872, também usando troncos ocos. O queimador Bunsen (1885) estimulou interesse em gás para aquecimento e culinária. Em 1891, depósito de alta pressão no centro de Indiana alimentou gasoduto de 192 km (120 milhas) para Chicago.

Esforços iniciais foram limitados por redes de distribuição inadequadas, então gás permaneceu commodity local. Nos anos 1910, companhias de petróleo reconheceram perda financeira de queimar gás e começaram instalando gasodutos para grandes cidades. Apenas após a Segunda Guerra Mundial uma rede nacional surgiu, tornando gás natural alternativa competitiva à eletricidade e carvão.

Hoje, os EUA operam mais de 600 plantas de processamento e 480.000 km (300.000 milhas) de gasodutos de transmissão principais. Reservas significativas também existem na ex-União Soviética, Canadá, China e Golfo Pérsico.

Matérias-Primas

Gás natural bruto é principalmente metano, acompanhado de etano, propano, butano e outros hidrocarbonetos. Pode também conter vapor de água, sulfeto de hidrogênio, dióxido de carbono, nitrogênio e traços de hélio.

Durante processamento, muitos constituintes são removidos ou separados para venda. Etano, propano, butano, sulfeto de hidrogênio e hélio são frequentemente isolados; vapor de água, CO₂ e nitrogênio são removidos para melhorar qualidade e facilitar transporte.

O produto resultante é principalmente metano e etano, com aditivos como mercaptano adicionados para detecção de odor.

O Processo de Fabricação

Extração

• 1 Alguns reservatórios possuem pressão suficiente para gás fluir naturalmente à superfície; a maioria dos poços requer bombeamento. A bomba mais comum apresenta haste longa ligada a pistão, acionada por viga oscilante — design frequentemente chamado de bomba "cabeça de cavalo".
• 2 Na superfície, gás é separado do óleo (se presente) e direcionado a uma planta de processamento central. Centenas de poços podem alimentar uma única instalação.

Processamento

• 3 Nos EUA, ~75% do gás natural origina-se de reservatórios sem óleo, simplificando processamento. Gás bruto tipicamente contém sujeira, areia e vapor de água. Filtros ou armadilhas removem sólidos, enquanto torres dessecantes (alumina, gel de sílica) ou dessecantes líquidos (glicol) secam o fluxo antes de tratamento adicional ou injeção direta em gasodutos de transporte.
• 4 Hidrocarbonetos mais pesados — propano, butano — são capturados via torre de absorção a frio com óleo tipo querosene. O óleo condensa e retém ~85% do propano e quase todo butano; gases mais leves saem da torre. O óleo é então destilado, e os hidrocarbonetos separados em coluna de fracionamento.
• 5 O fluxo de gás agora contém metano, etano, pequena quantidade de propano, e traços de CO₂, H₂S, N₂, etc. Etano pode ser separado adicionalmente usando ciclos de compressão/expansão criogênica, e vapor de água restante é reduzido por etapas adicionais de desidratação.
• 6 Para alto teor de CO₂ ou H₂S, torre de lavagem química introduz monoetanolamina, que reage com os ácidos e é então drenada para processamento.
• 7 Nitrogênio, diluente não combustível, é removido por destilação a baixa temperatura após remoção de CO₂ e H₂S — processo geral de "upgrade" que rende gás mais limpo e de maior energia.
• 8 Recuperação de hélio segue remoção de nitrogênio através de complexo loop de destilação e purificação criogênica, tornando gás natural a principal fonte de hélio dos EUA.

Transporte

• 9 Gás processado recebe mercaptano para detecção de vazamento, então viaja a estação compressora onde pressão é elevada a 1.380–10.350 kPa (200–1.500 psi). Gasodutos de transmissão subterrâneos — 51–107 cm (20 a 42 pol) de diâmetro — estendendo-se por milhares de milhas mantêm gás em movimento, com estações compressoras a cada ~160 km (100 milhas) para restaurar pressão perdida por atrito.
• 10 Próximo ao destino, gás pode ser injetado em armazenamento subterrâneo (reservatórios esgotados, aquíferos, cavernas de sal) para equilibrar demanda sazonal.

Distribuição

• 11 Do armazenamento, gás é roteado para gasodutos de distribuição local a pressões até 6.900 kPa (1.000 psi).
• 12 Pressão é reduzida abaixo de 410 kPa (60 psi) para rede urbana, então reduzida novamente a ~1,7 kPa (0,25 psi) antes de entrar em residências ou empresas individuais.

Controle de Qualidade

Gás natural é altamente inflamável e pode explodir se grande quantidade for inflamada abruptamente. Incidentes fatais ocorreram de vazamentos súbitos e asfixia prolongada. Para mitigar risco, odorantes (mercaptano) são adicionados, e fita de aviso amarela brilhante é enterrada alguns pés acima de gasodutos de alta pressão. Sinalização no nível do solo alerta ainda mais o público sobre localizações de gasodutos.

O Futuro

Perfil de baixas emissões do gás natural o torna combustível alternativo promissor para veículos automotores; frotas de gás natural comprimido (GNC) já operam mundialmente. Além disso, muitos processos industriais de alto calor — aço, vidro, cimento, químicos, alumínio e alimentos processados — estão migrando para gás natural para reduzir poluição do ar.