Как и зачем сжижают газ: технология и нюансы производства сжиженного газа

Что представляет собой сжиженный газ

Под сжиженным газом понимаются:

• разновидность природного газа, представленного в особом физическом состоянии — в виде жидкости, которая образуется посредством охлаждения газообразного топлива;
• углеводородные газы, которые сжижаются под высоким давлением;
• компримированный природный газ.

Сжижение природного газа осуществляется главным образом в целях удобства его транспортировки — когда использование труб невозможно или невыгодно, а также для хранения голубого топлива.

Сжиженный природный газ — это жидкость, которая примерно вдвое легче воды. Закипает она при температуре около минус 158-163 градусов Цельсия. Как и традиционный природный газ, по химическому составу сжиженное топливо представлено преимущественно метаном. Его хранение осуществляется в специальных резервуарах, рассчитанных на размещение как раз таки жидкой модификации природного газа. Транспортировка соответствующей разновидности газа происходит в криоцистернах, в которых поддерживается необходимая для сохранения его жидкого состояния температура.

Превращение традиционного топлива, добываемого из недр земли, в сжиженное занимает несколько этапов. На первом природный газ сжимается под давлением. После — охлаждается. Объем сжиженного газа в сравнении с исходным топливом уменьшается приблизительно в 600 раз. Обратная операция — превращение сжиженного газа в стандартное физическое состояние — осуществляется при задействовании регазификационных терминалов.

Процесс преобразования исходного топлива, которое добыто в недрах земли, в жидкость, а также его регазификация требуют значительных энергозатрат. Поэтому себестоимость изготовления сжиженного газа в расчете на 1 кубометр топлива, готового к использованию, как правило, заметно выше, чем та, что характеризует получение традиционного газа.

Что касается сжиженных углеводородных газов, они представлены чаще всего такими веществами, как пропан и бутан. По своим химическим и физическим свойствам они отличаются от метана: в частности, их сжижение возможно без высокой температуры. Это позволяет заправлять пропаном и бутаном зажигалки, размещать их в баллонах — в том числе тех, что выполняют функцию топливных носителей в автомобилях. Данные вещества довольно редко поставляются потребителям по магистральным трубопроводам, поскольку имеют существенно более высокую себестоимость изготовления в расчете на 1 кубометр, чем традиционный природный газ в виде метана.

К сжатым также принято относить компримированный природный газ. Он тоже представлен метаном, однако в жидкость он превращается не посредством охлаждения, а под очень большим давлением. Хранится такой газ в специальных накопителях под давлением порядка 200 бар. Рассматриваемый вид топлива чаще всего применяется для заправки автомобилей. Он считается существенно более выгодным, чем углеводородные газы.

Общая справка о метане

Под природными газами понимается метан СН4 – простейший углеводород без цвета и запаха. Метан – третий по распространенности газ во вселенной после водорода и гелия. О происхождении залежей природного газа в земной коре нет окончательного мнения, как и о происхождении нефти.

Природный газ содержит от 70 до 98% метана, остальное приходится на более тяжелые углеводороды: этан, пропан и бутан, а также неуглеводороды : воду, сероводород, углекислый газ, азот, гелий и другие инертные газы. Перед подачей в газотранспортную систему (ГТС) природный газ необходимо очистить и осушить, избавившись от воды, сероводорода, отделить тяжелые углеводороды и другие примеси. В магистрали пары воды могут конденсироваться или образовывать с газом кристаллические соединения – гидраты – и скапливаться на изгибах трубопровода, затрудняя продвижение газа. Сероводород вызывает сильную коррозию газового оборудования. В зависимости от состава природного газа применяют различные технологии осушки и разделения газов. Таким образом, остается чистый метан с незначительными примесями. Через ГТС метан поступает потребителям. Если ваше жилище подключено к газораспределительной системе, то на кухне в конфорке у вас горит именно метан. Этим же метаном после сжатия или сжижения заправляют газобаллонную технику.

Метан – газ без запаха, характерный аромат («При запахе газа звонить 09») ему придают меркаптаны, которые впрыскивают в газ перед закачкой в ГТС (16 г на 1000 м3). Этот метод придумали для обнаружения утечек из ГТС, протяженность которой насчитывает тысячи километров. При утечке меркаптановая отдушка привлекает ворон, скопища которых легко обнаружить во время облета трубопровода на вертолете.

Метан в 1,6 раза легче воздуха и при утечке моментально улетучивается. Метан взрывоопасен при концентрации в воздухе от 4,4 до 17%. Самая взрывоопасная концентрация – 9,5%. Определить наличие в воздухе метана легко по меркаптановым ароматам. В местах природного образования метана, где невозможно его определить по запаху, например в шахтах, используют газоанализаторы. Первыми шахтными газоанализаторами были канарейки. Газобаллонную технику хранят на открытых стоянках, а закрытые ремонтные зоны оснащают принудительной вытяжной вентиляцией. На магистральном газе без какой-либо подготовки работают энергетические установки различной мощности, подключенные непосредственно к трубе.

Основные отличия природного газа от сжиженного

Первое важное отличие – сжиженный газ измеряют в литрах (он ведь в жидком состоянии), а природный в кубометрах. Последний добывают прямо из недр земли в уже в газообразном состоянии. В таком виде его транспортируют по всей России и во многие страны мира.

Второе важное отличие – состав. Природный газ на 70-98% состоит из метана. Сжиженный газ для газгольдеров состоит из смеси пропана и бутана. В зависимости от разновидности СУГ может содержать 25% бутана и 75% пропана либо 45% бутана и 55% пропана. Первый называется зимним СУГ, второй – летним.

Физико-химические свойства сжиженных углеводородных газов

В стандартном состоянии сжиженный углеводородный газ представляет собой жидкость без цвета. Он может менять свое состояние с жидкого на газообразное и обратно под воздействием следующих факторов:

1. температура внешней среды;
2. фактический объем топлива;
3. внутреннее давление в рабочей камере.

Если определить изначальную температуру воздуха на отметке +20 градусов, то для сжатия бутана потребуется давление в 16 бар. Температура кипения под постоянным давлением у этого алкана составляет -1 градус. В холодное время года бутан находится в жидкой фазе.

Больший КПД демонстрирует пропан – он закипает при отметке в -42 градуса. Углеводородный газ отлично подходит для заправки транспортных средств в условиях критически низких температур благодаря тому, что не теряет газообразующих свойств.

В отличие от бензинов, керосина и дизеля, СУГ не нуждается в добавлении присадок на основе серных компонентов или свинца, медленно уничтожающих покрытие элементов механизма. Газы длительное время сохраняют изначальные химические свойства, пребывая в стабильном состоянии даже при контакте с кислородом.

Углеводородные газы, сжиженные в условиях перепада давления, имеют склонность к быстрому изменению объема при повышении температуры. Пятьдесят литров пропан-бутана во время испарения «превращаются» в более, чем 10 м3 газового вещества, что делает использование топливного продукта выгодным во многих случаях.

Зачем сжижают природный газ

Из недр земли голубое топливо добывается в виде смеси из метана, этана, пропана, бутана, гелия, азота, сероводорода и других газов, а также различных их производных.

Часть из них применяется в химической промышленности, а часть сжигается в котлах или турбинах для генерации тепловой и электрической энергии. Плюс некоторый объем добытого используется в качестве газомоторного горючего.

Расчеты газовиков показывают, что если голубое топливо надо доставить на расстояние в 2500 км и больше, то в сжиженном виде зачастую делать это выгодней, нежели трубопроводным способом

Основная причина сжижения природного газа – упрощение его перевозки на дальние расстояния. Если потребитель и скважина добычи газового топлива находятся на суше недалеко друг от друга, то проще и выгодней проложить между ними трубу. Но в ряде случаев магистраль строить выходит слишком дорого и проблематично из-за географических нюансов. Поэтому и прибегают к различным технологиям получения СПГ либо СУГ в жидком виде.

Экономика и безопасность перевозок

После того как газ сжижен, он уже в виде жидкости закачивается в специальные емкости для перевозки морским, речным, автомобильным и/или железнодорожным транспортом. При этом технологически сжижение является достаточно затратным с энергетической точки зрения процессом.

На разных заводах на это уходит до 25% от исходного объема топлива. То есть для выработки нужной по технологии энергии приходиться сжигать до 1 тонны СПГ на каждые его три тонны в готовом виде. Но природный газ сейчас сильно востребован, все окупается.

В сжиженном виде метан (пропан-бутан) занимает в 500–600 раз меньший объем, нежели в газообразном состоянии

Пока природный газ находится в состоянии жидкости, он не горюч и взрывобезопасен. Только после испарения в ходе регазификации, полученная газовая смесь оказывается пригодна для сжигания в котлах и варочных плитах. Поэтому, если СПГ или СУГ используются как углеводородное топливо, то их обязательно приходится регазифицировать.

Использование в различных сферах

Чаще всего термины «сжиженный газ» и «сжижение газа» упоминаются в контексте перевозки углеводородного энергоносителя. То есть сначала происходит добыча голубого топлива, а потом его преобразование в СУГ или СПГ. Дальше полученную жидкость перевозят и после вновь возвращают в газообразное состояние для того или иного применения.

СУГ (сжиженный углеводородный газ) на 95% и более состоит из пропан-бутановой смеси, а СПГ (сжиженный природный газ) на 85–95% из метана. Это схожие и одновременно кардинально разные виды топлива

СУГ из пропан-бутана в основном используют в качестве:

• газомоторного топлива;
• горючего для закачки в газгольдеры автономных систем отопления;
• жидкостей для заправки зажигалок и газовых баллонов емкостью от 200 мл до 50 л.

СПГ обычно производят исключительно для перевозки на дальние расстояния. Если для хранения СУГ достаточно емкости, способной выдержать давление в несколько атмосфер, то для сжиженного метана требуются специальные криогенные резервуары.

Оборудование для хранения СПГ отличается высокой технологичностью и занимает много места. Использовать такое топливо в легковых автомобилях не выгодно из-за дороговизны баллонов. Грузовики на СПГ в виде единичных экспериментальных моделей уже по дорогам ездят, но в сегменте легковушек это «жидкое» горючее вряд ли в ближайшем будущем найдет себе широкое применение.

Сжиженный метан как топливо сейчас все чаще используется при эксплуатации:

• железнодорожных тепловозов;
• морских судов;
• речного транспорта.

Помимо использования в качестве энергоносителя LPG и LNG также применяются непосредственно в жидком виде на газо-нефтехимических заводах. Из них делают различные пластмассы и иные материалы на углеводородной основе.

Температура сжиженного газа

Чрезвычайно низкая температура СПГ делает его криогенной жидкостью. Как правило, вещества, температура которых составляет –100°С (–48°F) или еще ниже, считаются криогенными и требуют специальных технологий для обработки. Для сравнения, самая низкая зарегистрированная температура на Земле составляет –89,2°С (Антарктика), а в населенном пункте –77,8°С (поселок Оймякон, Якутия). Криогенная температура сжиженного природного газа означает, что контакт с СПГ может вызвать изменение свойств контактирующих материалов, которые впоследствии станут ломкими и потеряют свою прочность и функциональность. Поэтому в отрасли СПГ используют специальные материалы и технологии.

Плотность сжиженного газа

Поскольку СПГ представляет собой некую смесь, плотность сжиженного природного газа изменяется незначительно с ее фактическим составом. Плотность сжиженного природного газа, как правило, находится в диапазоне 430–470 килограммов на кубический метр, а его объем составляет примерно 1/600 объема газа в атмосферных условиях. Это делает его примерно на треть легче, чем воздух. Другим следствием этих фактов является то, что СПГ имеет меньшую плотность, чем вода, что позволяет ему находиться на поверхности в случае разлива и вернуться к парообразному состоянию достаточно быстро.

Преимущества сжиженного природного газа

1. В процессе сжижения плотность газа увеличивается в сотни раз, что повышает эффективность и удобство хранения, а также транспортировки и потребления энергоносителя.
2. Сжиженный природный газ – нетоксичная криогенная жидкость, хранение которой осуществляется в теплоизолированной емкости при температуре –162°С. Большие объемы СПГ возможно хранить в специальных наземных резервуарах при атмосферном давлении.
3. Возможность межконтинентальных перевозок СПГ специальными танкерами-газовозами, а также перевозка железнодорожным и автомобильным видами транспорта в цистернах.
4. Сжиженный природный газ дает возможность газификации объектов, удаленных от магистральных трубопроводов на большие расстояния, путем создания резерва СПГ непосредственно у потребителя, избегая строительства дорогостоящих трубопроводных систем.

С точки зрения потребителя, преимущества сжиженного природного газа, исходя из его состава и физических свойств, состоят еще и в том, что СПГ является не только источником сухого природного газа, транспортируемого по газопроводам, а также источником ШФЛУ (широкая фракция легких углеводородов – этана, пропана, бутанов и пентанов), входящих в состав СПГ и выделяемых из СПГ при регазификации. Эти углеводороды используются в качестве нефтехимического сырья и в качестве источника экологически чистого топлива для различных видов транспорта (а также в быту). В процессе регазификации на терминале СПГ будет происходить выделение фракции С2+ или С3+. Возможность перевозить ШФЛУ в составе сжиженного природного газа выступает не только в пользу потребителя, но также решает и проблемы производителя по транспортировке ШФЛУ с газового месторождения.

Сжиженный природный газ представляет собой безопасный, экологически чистый вид топлива с высокими энергетическими характеристиками и октановым числом. Цена СПГ по стоимости у потребителя ниже цены сжиженного нефтяного газа, мазута и тем более дизельного топлива.

Технология получения жидких газов

Первыми газами, которые научными методами были превращены в жидкости, стали:

• углекислота;
• сернистый газ;
• аммиак.

Этого удалось достичь именно повышением давления, температура во время процедуры оставалась комнатной. Следующими сжиженными таким образом газами стали:

• пропан;
• бутан;
• этан и другие газы этой группы.

Позже выяснилось, что повышение давления работает не для всех газов. Метан даже при большом давлении в комнатной температуре оставался газообразным. Выходом стало использование критической температуры.

При температуре кипения вещество, находящееся в жидкой форме, переходит в газообразное состояние. Критическая же температура — это температура, при которой газ переходит в жидкость, находясь под определенным давлением. Найдя критическую температуру для природного газа (метана) — -82,5 градусов Цельсия, удалось его перевести в жидкую форму под высоким давлением. При этом в нормальных условиях кипеть метан начинает при температуре -161,5 градусов Цельсия.

Два способа получения сжиженного газа

Газ можно превратить в жидкость двумя способами:

• путем понижения температуры;
• путем сжимания под высоким давлением.

Все газы конденсируются в жидкость естественным образом, когда его температура понижается ниже температуры кипения. Однако из-за того, что эти температуры часто очень низкие, требующие больших усилий для их создания и поддержания, чаще используется метод создания высокого давления. Когда газ искусственно сжимается большим давлением, он тоже может принять жидкую форму. Однако это справедливо не для всех веществ.

Подготовка газовой смеси

Перед тем как начать сжижать сырой природный газ, из него требуется удалить воду, гелий, водород, азот, соединения серы и другие примеси. Для этого обычно применяют адсорбционную технологию глубокой очистки газовой смеси путем пропускания ее через молекулярные сита.

Затем происходит второй этап подготовки исходного сырья, в ходе которого удаляются тяжелые углеводороды. В итоге в газе остаются лишь этан и метан (либо пропан и бутан) с объемом примесей менее 5%, чтобы уже эту фракцию начать охлаждать и сжижать.

Первичная подготовка с удалением из природного газа всего ненужного производится, чтобы обезопасить холодильное оборудование от агрессивного воздействия воды, углекислоты, серных соединений и т.д.

Фракционирование позволяет избавиться от вредных примесей и выделить только основной газ для последующего сжижения. При давлении 1 атм температура перехода в жидкое состояние у метана -163 °С, у этана -88 °С, у пропана -42 °С, а у бутана -0,5 °С.

Как раз эти температурные различия и объясняют причину, зачем разделяют на фракции и только потом сжижают газ, поступающий на завод. Единой технологии сжижения для всех типов газообразных углеводородных соединений не существует. Для каждого из них приходится строить и применять свою технологическую линию.

Основной процесс сжижения

Основой для перевода газ в жидкое состояние служит холодильный цикл, в ходе которого тем или иным хладагентом теплота переносится от среды с низкой температурой к среде с более высокой. Процесс этот многоступенчатый и требует наличия мощных компрессоров для расширения/сжатия теплоносителя и теплообменников.

Технологии компримирования высокотехнологичны, энергоемки и затратны, однако за один цикл они позволяют газ сжать сразу в 5–12 раз

В качестве хладагента на разных стадиях сжижения применяются:

• пропан;
• метан;
• этан;
• азот;
• вода (морская и очищенная);
• воздух.

Например, для первичного охлаждения природного газа на «Ямал-СПГ» Новатэка используется прохладный арктический воздух, который позволяет понизить температуру исходного сырья с минимальными затратами сразу до +10 °С. А в жаркие летние месяцы вместо него предусмотрено использование морской воды из Северного Ледовитого океана, имеющей независимо от времени года на глубине постоянные 3–4 °С.

При этом в качестве конечного хладагента на Ямале применяют азот, получаемый прямо на месте из воздуха. В результате Арктика дает все необходимое для получения СПГ – от исходного природного газа до используемых в процессе сжижения рабочих агентов.

Пропан сжижается по аналогичной с метаном схеме. Только температуры охлаждения ему требуются гораздо менее низкие – минус 42 °С против минус 163 °С. Поэтому сжижение газа для газгольдеров стоит в разы дешевле, однако сам получаемый пропан-бутановый СУГ востребован на рынке меньше.

Как вам статья?