Подготовка газа к сжижению
Процесс обработки газа в высокой степени зависит от свойств сырого газа, а также от попадания тяжелых углеводородов через сырой газ. Для того чтобы сделать сжижение газа возможным, газ сначала подвергается обработке. При его входе на завод обычно происходит первоначальное разделение фракций и отделяется конденсат.
Поскольку большая часть примесей (вода, СО2, H2S, Hg, N2, He, карбонилсульфид COS, меркаптаны RSH и т.д.) замерзает при температурахСПГ или негативно влияет на качество продукта, соответствующее требуемой товарной спецификации, то и эти компоненты отделяются. Далее отделяются более тяжелые углеводороды для предотвращения их замерзания в процессе сжижения.
В табл. 2 представлены сводные данные по углеводородному сырью, используемому на всех рассматриваемых заводах.
Таблица 2
Составы газа на северных и южных заводах
№ | Компонент | Сырой газ на южных заводах СПГ | Сырой газ на северных заводах СПГ | ||||||
| ОАЭ (усредненный поток) | Оман (усредненный поток) | Катар | Иран (м. Южный Парс) | Кенай, США | Мелкойя, Норвегия (усред.) | Сахалин, Россия | |||
| Сухой газ | Жирный газ | ||||||||
| 1 | C1, % | 68,7 | 87,1 | 82,8 | 82,8–97,4 | 99,7 | 83,5 | Есть | Есть |
| 2 | C2, % | 12,0 | 7,1 | 5,2 | 8,4–11,5 | 0,07 | 1,4 | То же | То же |
| 3 | C3, % | 6,5 | 2,2 | 2,0 | 0,06 | 2,2 | |||
| 4 | C4, % | 2,6 | 1,3 | 1,1 | 2,2 | ||||
| 5 | C5, % | 0,7 | 0,8 | 0,6 | 1,2 | ||||
| 6 | C6+, % | 0,3 | 0,5 | 2,6 | 8,6 | ||||
| 7 | H2S, % | 2,9 | 0,5 | 0,5–1,21 | 0,01 | Нет | |||
| 8 | CO2, % | 6,1 | 1 | 1,8 | 1,8–2,53 | 0,07 | 0,4 | 5–8% | 0,7 |
| 9 | N2, % | 0,1 | 0,1 | 3,3 | 3,3–4,56 | 0,1 | 0,5 | 0,8–3,6% | <0,5 |
| 10 | Hg | Есть | Есть | Есть | Есть | Есть | |||
| 11 | He | Есть | |||||||
| 12 | COS, ppm | 3 | |||||||
| 13 | RSH, ppm | 232 | |||||||
| 14 | H2O | Есть | Есть | Есть | Есть | Есть | Есть | Есть | Есть |
Очевидно, что углеводородные смеси каждого из семи заводов подходят для производства СПГ, поскольку их большую часть составляют легкие соединения метана и этана. Поток газа, поступающий на каждый из рассматриваемых заводов СПГ, содержит воду, азот, углекислый газ. При этом содержание азота варьируется в пределах 0,1–4,5%, СО2 – от 0,07 до 8%. Содержание жирного газа колеблется от 1% на заводе СПГ в ОАЭ до 5– 11% на заводах СПГ Ирана и Аляски.
Кроме того, в составе газа ряда заводов присутствует ртуть, гелий, меркаптаны, другие сернистые примеси. Проблему извлечения сероводорода приходится решать на каждом заводе, кроме завода СПГ в Омане. Ртуть присутствует в газе
Сахалина, Норвегии, Ирана, Катара и Омана. Наличие гелия подтверждается только на проекте Катаргаз2. Присутствие RSH, COS подтверждено в газе проекта СПГ Ирана.
Состав и объем газа влияют не только на количество производимого СПГ, но и на объем и разнообразие побочных продуктов, что показано в табл. 3. Становится ясно, что в первую очередь состав газа влияет на выбор и применение оборудования при обработке газа, а значит, и на весь процесс подготовки газа и конечный выход продукции.
Таблица 3
Побочные продукты в составе газа на рассматриваемых заводах СПГ
| Побочный продукт | ОАЭ | Оман | Катар | Иран | Мелкойя, Норвегия |
| СНГ | Нет | Нет | Да | Нет | Да |
| Конденсат | Да | Да | Да | Да | Да |
| Сера | Да | Нет | Да | Да | Нет |
| Этан | Нет | Нет | Нет | Нет | Да |
| Пропан | Да | Нет | Нет | Да | Да |
| Бутан | Да | Нет | Нет | Да | Нет |
| Нафта | Нет | Нет | Да | Нет | Нет |
| Керосин | Нет | Нет | Да | Нет | Нет |
| Газойль | Нет | Нет | Да | Нет | Нет |
| Гелий | Да |
Для удаления кислых газов на заводах СПГ используется процесс «Hi-Pure» – комбинация процесса с растворителем на основе K2CO3 для удаления основного объема СО2 и процесса с аминовым растворителем на основе ДЭА (диэтаноламин) для удаления остающейся части СО2 и H2S (рис. 1).
Рис. 1. Стандартная схема аминовой установки
На заводах СПГ в Иране, Норвегии, Катаре, Омане и на Сахалине применяется система аминовой очистки кислых газов МДЭА (метилдиэтаноламин) с активатором («aMDEA»).
У этого процесса есть ряд преимуществ перед физическими процессами и другими аминовыми процессами: лучшая абсорбционная и избирательная способность, более низкое давление паров, более оптимальные параметры эксплуатационной температуры, потребления энергии и т.д.
Применение СПГ в котельной
На рис. 3 представлен общий вид производственно-отопительной котельной, работающей на СПГ.
Система приема, хранения и регазификации размещается на открытой площадке и функционирует следующим образом: сжиженный природный газ доставляется в криогенных цистернах железнодорожным транспортом и переливается в стационарный резервуар системы хранения по криогенному трубопроводу за счет перепада давления. Из резервуара СПГ подается в атмосферные испарители, где происходит газификация и подогрев природного газа. Температура газа после испарителей на 3-5 ОС ниже температуры окружающей среды. В холодное время года природный газ дополнительно подогревается при помощи электроподогревателей. Температура газа на выходе из подогревателей автоматически поддерживается в диапазоне от -10 до 0 ОС. Подогрев осуществляют как прямым, так и непрямым способом. В первом случае горячий теплоноситель отдает тепло газу, во втором – промежуточный теплоноситель (обогревается горячим источником) нагревает газ. Чаще всего, горячим теплоносителем выступает вода, а промежуточным – газ пропан. Далее газ поступает на газорегуляторный пункт, где в автоматическом режиме редуцируется до рабочего давления горелок. Подготовленный газ по внутренней трубопроводной сети подводится к газопотребляющему оборудованию.
Возможности системы хранения, приема и регазификации позволяют обеспечить длительное хранение и выдачу СПГ потребителю, при этом давление газа в системе хранения поддерживается автоматически. Вся система обеспечена приборами визуального и дистанционного контроля давления и уровня, а также предохранительными устройствами, обеспечивающими ее безопасную эксплуатацию.
Основные показатели котельных при применении различных видов топлива и сравнение эффективности использования СПГ, выполненное для условий Северо-Западного региона, представлены в таблице (цены 2010 г.).
| Характеристика | Топливо | |||
| СПГ | Мазут М100 | Каменный уголь | Дизельное топливо ДТ-ЕВРО-4 | |
| Низшая теплота сгорания, МДж/кг | 48,4 | 41,3 | 25,0 | 42,2 |
| Среднее значение КПД котельных, % | 92 | 80 | 60 | 89 |
| Удельный расход топлива, кг/Гкал | 95 | 132 | 476 | 110 |
| Отпускная цена топлива, руб./т | 15500 | 13500 | 4000 | 24000 |
| Стоимость производства единицы тепловой энергии (топливная составляющая), руб./Гкал | 1465 | 1776 | 1905 | 2649 |
СПГ обладает наивысшей теплотой сгорания, наивысшим значением КПД котельных установок, средней стоимостью и позволяет получать тепловую энергию дешевле, чем при использовании альтернативных энергоносителей, таких как мазут, уголь, дизельное топливо.
С 1996 г на территории ЛПДС «Красный бор» (Ленинградская область) действует первая в России котельная, переведенная на СПГ В состав системы газификации СПГ котельной входит следующее типовое оборудование: компактная система хранения и выдачи СПГ БСХП-25/0,6; атмосферные испарители ИА-65; газорегуляторный пункт ПШГР Мощность котельной – 4 Гкал. Вместимость резервуара СПГ – до 25 м3 (15000 нм3 ПГ). Давление в хранилище – до 0,6 МПа. Производительность по газу: номинальная – 100 нм3/ч, максимальная – 270 нм3/ч. Расход СПГ при номинальной производительности – 4 м3/сут.
Охлаждение газа
В работе установок могут применяться разные по своему принципу системы охлаждения газа. В промышленной реализации различают три основных метода сжижения:
- каскадный — газ последовательно проходит через ряд теплообменников подключенных к системам охлаждения с разными температурами кипения хладагента. В результате газ конденсируется и поступает в накопительный резервуар.
- смешанные хладагенты — газ поступает в теплообменник, туда же поступает смесь жидких хладагентов с разными температурами кипения, которые закипая последовательно снижают температуру поступающего газа.
- турбо-расширение — отличается от вышеописанных методов тем, что используется метод адиабатного расширения газа. Т.е. если в классических установках мы снижаем температуру за счет кипения хладагента и теплообменников, то тут тепловая энергия газа расходуется на работу турбины. Для метана нашли применение установки на основе турбо-детандеров.
Как сжижают природный газ – особенности процесса
Главными целями в производстве сжиженного продукта являются:
- получение конечного продукта как товарной единицы;
- выделение бутановой, пропановой, этановой газовой фракции;
- выделение гелия.
Фракционирование происходит в условиях пониженных температур (до -168°C). Данные условия приводят к уменьшении плотности сжиженного природного газа по сравнению с обычным в 600 раз. Ориентировочно, согласно данным электронного журнала Neftegaz.ru №12 от 2018 года, путем охлаждения можно сжать 1380 м3 природного газа до 1000 кг СПГ. Таковы примерные соотношения сжиженного газа к природному.
На производстве сжижение газа осуществляется по многоступенчатой технологии. Переход с одной ступени на другую характеризуется сжатием потока в 12 раз, до тех пор, пока не поменяется агрегатное состояние потока. Недостатком данного способа считаются энергетические потери, достигающие на выходе 25%.
На сегодняшний день разработаны две технологии получения СПГ:
- компримирование;
- технология, основанная на теплообменных процессах.
В первом случае протекает процесс конденсации с неизменным давлением, что негативно сказывается на энергоемкости в целом. Во втором варианте поток охлаждается с последующим резким дросселированием до нужных температурных параметров, однако после первого этапа степень сжижения газа составляет всего 4%. Выходом из ситуации является использование каскадных технологий, увеличивающих эффективность охлаждения до 100%.
Особое внимание в производстве СПГ необходимо уделять качественному теплообменному и изоляционную оборудованию, поскольку оно определяет возможность возникновения дополнительных расходов мощности. Так, при перепаде температуры внутри реактора или теплообменника на 1°C при проходе через него 100 000 м3 газовой смеси, затраты на сжатие по мощности увеличиваются на 5 кВт
Существует семь действующих вариантов технологий сжижения газовой смеси:
- для крупнотоннажного производства СПГ в 82% выбирают техпроцессы компании Air Products: AP-SMR, AP-C3MR, AP-X.
- на втором месте стоит технология под названием Optimized Cascade, все права на которую принадлежат компании ConocoPhillips;
- третье место занимают малогабаритные GTL-установки, предназначенные для использования в закрытых промышленных помещениях;
- отдельные установочные единицы в производстве СПГ в мире находят широкое применение в циклах синтеза газомоторного топлива.
Для обеспечения доступности газовых месторождений (касается шельфовой добычи), в эксплуатацию были введены специальные морские суда,а также плавательные платформы (разработка компании Shell) укомплектованные холодильным оборудованием – по сути, сжижение происходит по механизму in siutu.
Сделать однозначный вывод об эффективности работы каждой не представляется возможным, поскольку зависит и определяется только обстоятельствами. Однако, если брать в расчет единичный завод по производству СПГ в России, то комплектация его такова:
- оборудование для подготовки исходных веществ, в частности, система очистки газа;
- оборудование для основного цикла процесса;
- линии оборотной воды, конденсата, технологического пара;
- герметичные резервуары, предназначенные для хранения жидкости, криоцистерного типа (сосуд Дуара);
- оборудование для загрузки транспортировки СПГ без потерь на испарение;
- транспортировочные танкеры и иные средства перевозки;
- установки бесперебойной подачи электроэнергии и холодной воды в качестве хладагента.
Согласно источнику газеты Neftegaz.ru №12, в последнее время наибольшее внимание стало уделяться технологии, экономящей до 50% затрат энергии на получение целевого продукта. Она основана на использовании собственной энергии (потенциальной) сжиженного газа и естественном охлаждении потока при уменьшении давления в магистральном трубопроводе до отметки потребительского давления (ориентировочно с 6 МПа до 1,2 МПа)
Использование сжиженного газа
Большинство различных газов в сжиженном состоянии находят практическое применение:
- Жидкий хлор используют для дезинфекции и отбеливания тканей, применяется как химическое оружие.
- Кислород – в лечебных учреждениях для пациентов с проблемами дыхания.
- Азот – в криохирургии, для замораживания органических тканей.
- Водород – как реактивное топливо. В последнее время появились автомобили на водородных двигателях.
- Аргон – в промышленности для резки металлов и плазменной сварки.
Также можно сжижать газы углеводородного класса, наиболее востребованные из которых – пропан и бутан (н-бутан, изобутан):
- Пропан (C3H8) является веществом органического происхождения класса алканов. Получают из природного газа и при крекинге нефтепродуктов. Бесцветный газ без запаха, малорастворим в воде. Применяют как топливо, для синтеза полипропилена, производства растворителей, в пищевой промышленности (добавка E944).
- Бутан (C4H10), класс алканов. Бесцветный горючий газ без запаха, легко сжижаемый. Получают из газового конденсата, нефтяного газа (до 12%), при крекинге нефтепродуктов. Используют как топливо, в химической промышленности, в холодильниках как хладоген, в пищевой промышленности (добавка E943).
Способы сжижения природного газа
- Классический каскадный цикл с последовательным использованием в качестве хладагентов пропана, этилена и метана путем последовательного снижения их температуры кипения.
- Цикл с двойным хладагентом – смесью этана и метана.
- Расширительные циклы сжижения.
- Новый способ «объединенный» автохолодильный каскадный цикл (ARC), в котором производится ступенчатая конденсация углеводородов с использованием их в качестве хладагентов в последующей ступени охлаждения при циркуляции неконденсирующегося азота.
Преимущество этого нового способа, испытываемого на опытной установке в Нанте (Франция) мощностью 28,3 тыс.м3/сутки, заключается в том, что отсутствует стадия получения и хранения хладагентов, и они извлекаются непосредственно в процессе сжиженияе природного газа. Процесс требует меньших капитальных затрат в сравнении с обычным каскадным циклом, так как необходима только одна машина для циркуляции хладагентов и меньшее число теплообменников.
Каскадная схема, в которой раздельно используются три хладоагента с последовательно снижающейся температурой кипения, требует больших капитальных, но меньших эксплуатационных затрат. Эта схема была последовательно усовершенствована; в настоящее время чаще применяется смесь хладоагентов; новая схема называется самоохлаждающей, так как часть хладоагента – этан и пропан – получаются из сжижаемого природного газа. Капитальные затраты при этом несколько ниже. В большинстве случаев в каскадных схемах используются поршневые компрессоры, сравнительно дорогостоящие как по капитальным, так и по эксплуатационным затратам.
Расширительные схемы представляют существенный интерес, так как в них могут использоваться центробежные, более экономичные, машины, но расширительные циклы требуют затрат энергии на 20-30% больших, чем каскадные. Охлаждение достигается изоэнтропийным расширением метана в турбодетандере. Поток газа, предварительно очищенного от воды, углекислого газа и других загрязнений, сжижается под давлением за счет теплообмена с холодным расширенным газовым потоком. Для получения одной части жидкости необходимо подвергнуть сжатию и расширению примерно 10 частей газа.
Интересная модификация расширительной схемы может быть получена при подаче потребителю газа значительно более низкого давления, чем в питающем трубопроводе. Тогда за счет расширения поступающего из трубопровода газа можно получить дополнительное количество СПГ в количестве около 10% подаваемого газа. При этом экономятся капитальные затраты на компрессоры и эксплуатационные расходы на их обслуживание.
Основные зоны завода по производству СПГ:
1. Модули переработки СПГ: природный газ поступает из трубопровода первой линии, в технологические цепочки из PAU где будут удален азот, диоксид углерода, вода, сероводород, ртуть и любых другие примеси. Газ затем охлаждают до -161 градусов по Цельсию.
2. Емкости для хранения: получившийся конденсат — СПГ, закачивается в резервуары для хранения. В процессе хранения СПГ испаряется. Требуется постоянная работа компрессоров чтобы сохранять СПГ в жидком виде. СПГ должен постоянно циркулировать, чтобы не произошло расслоения жидкости по температурным слоям. У таких слоев кроме температуры у будет разная плотность, что приведет к смещению центра тяжести всей конструкции.
3. Загрузочные линии: СПГ транспортируется по трубам из складских резервуаров на причал и оттуда поступает в танкер СПГ. Эти линии должны быть изолированы, чтобы сохранить агрегатное состояние СПГ. СПГ находится в этих линиях постоянно, и так же непрерывно циркулирует.
4. Морской терминал: причал должен быть способен принимать СПГ танкеры. Буксиры будут маневрировать рядом с газовозом и позиционировать его пока носитель СПГ не будет зафиксирован у причала.
5. Двор: Объект должен быть подключено наземной транспортной инфрастуктуре — жд и/или автомобильным дорогам. Они используются для отгрузки побочных нефтехимических продуктов накапливающихся в отдельных резервуарах в процессе очистки природного газа от примесей (сера, ртуть, инертные газы, углекислота и т.д.). Они хранятся в отдельных резервурах на производственной площадке, а затем транспортируются к потребителям с помощью жд или грузового транспорта.
6. Водопоготовка: Объект нуждается в воде для использования в холодильных контурах и для иных целей. Вода должна обрабатываться и очищаться при необходимости перед использованием. Чтобы уменьшить потребности объекта в воде — применяются замкнутые циклы. Частично вода выпаривается в процессах охлаждения. Вода, которая не испаряется, наряду с любыми другими стоками отправляется на станции очистки.
7. Факелы: Два факела выступают в качестве предохранительных устройств — это общая черта всех СПГ объектов. В случае выхода из строя холодильного оборудования газ будет постепенно регазифицироваться, следовательно давление в резервуарах и трубах начнет расти. Чтобы не произошло инцидента необходимо снизить давление. Выкинуть метан в атмосферу недопустимо, поскольку это парниковый газ. Но его можно сжечь, получив на выходе воду и углекислоту. Факелы всегда находятся в верхних точках газопроводных систем.
8. Линии пожаротушения: в виду удалённости объектов по производству СПГ от крупных населенных пунктов и от цивилизации вообще, в случае инцидента осуществлять оперативные мероприятия придется персоналу станции. В связи с этим системы пожаротушению монтируются заранее, на некотором удалении от основных производственных объектов. Необходимы запасы воды в отдельных резервуарах, запасы пенообразователей, автономные источники энергии, помпы и насосы.
СПГ и инвестиции
Высокая металлоемкость, сложность технологического процесса, необходимость серьезных капитальных вложений, а так же длительность всех процессов связанных с созданием инфраструктурных объектов такого рода: обоснование инвестиций, тендерные процедуры, привлечение заемных средств и инвесторов, проектирование и строительство, которое обычно сопряжено с серьёзными логистическими трудностями, — создают препятствия для роста производства в этой сфере.
В некоторых случаях мобильные установки по сжижению могут быть неплохим вариантом. Однако их пиковая производительность весьма скромна, а энергозатратность на единицу газа выше чем у стационарных решений. Кроме того химический состав самого газа может стать непреодолимым препятствием.
Чтобы снизить риски и обеспечить возврат вложенных средств разрабатывают планы по эксплуатации установок на 20 лет вперед. А решение о разработке месторождения часто зависит от того способен ли данный участок поставлять газ в течении длительного промежутка времени.
Заводы разрабатываются под конкретную площадку и технические условия, определяемые во многом составом поступающего газового сырья. Сам завод организован по принципу черного ящика. На входе сырье, на выходе продукты, что требует минимального участия персонала в процессе.
Состав оборудования площадки, его колличество, мощность, последовательность процедур которые требуются для подготовки газовой смеси к сжижению разрабатываются для каждой конкретного завода в соответствии с требованиями Заказачика и потребителей продукции.
Специальное оборудование
Для того чтобы сжижать газы, используются специальные установки. Они значительно уменьшают объём голубого топлива и повышают плотность энергии. С их помощью можно осуществлять различные способы переработки углеводородов в зависимости от последующего применения, свойств исходного сырья и условий окружающей среды.
Установки по сжижению и сжатию предназначены для обработки газа и имеют блочное (модульное) исполнение либо полностью контейнеризированы. Благодаря регазификационным станциям становится возможным обеспечение дешёвым природным топливом даже самых отдалённых регионов. Система регазификации также позволяет хранить природный газ и подавать его необходимое количество в зависимости от потребности (например, в периоды пикового потребления).
Транспортировка и хранение
Крупные танкеры-газовозы, вагоны-цистерны транспортируют большие партии СПГ на специальные терминалы, где газ подвергается регазификации. Исследования и имеющийся опыт показали, что перевозка СПГ в железнодорожных цистернах весьма выгодна. Вакуумная теплоизоляция цистерн удовлетворяет требованиям железных дорог, в том числе экологическим и техники безопасности, срок бездренажного хранения доведен до 40 сут.
Регазифицированный газ доставляется конечному потребителю по газопроводам. Для уменьшения потерь при газовой транспортировке применяются специальные стальные трубы, рассчитанные на эксплуатацию под высоким давлением, имеющие высокие параметры надежности. Когда сжиженный газ доставляется на терминал, его перекачивают для хранения из газовозов в резервуары. По мере надобности СПГ переводят в газообразный вид – процедура превращения проводится в испарительной системе. Сжиженный природный газ хранится в специальных криоцистернах – в резервуарах двух типов: криогенных и изотермических. Криогенный резервуар-хранилище для СПГ под давлением показан на рис. 1. В изотермических резервуарах хранение СПГ происходит при температуре, обеспечивающей избыточное давление насыщенных паров, близкое к атмосферному давлению (Ризб=4,9-6,8 кПа). Принципиальная схема хранения СПГ с изотермическим резервуаром приведена на рис. 2.
СПГ — экологический вид топлива
Имея хорошие энергетические характеристики и высокое октановое число, сжиженный газ используется не для одной лишь газификации населенных пунктов и объектов промышленности, но и как моторное топливо на различных видах транспорта. Физико-химические, энергетические и экологические свойства природного газа делают его довольно перспективным видом топлива, использование которого может дать ощутимый положительный эффект в некоторых вопросах. Экологическая безопасность и топливная экономичность двигателей, работающих на природном газе, снижение износа деталей газового двигателя, уменьшение расхода масла — вот характерные особенности.
Применение СПГ на транспорте преследует следующие цели:
- Экономию денежных средств на покупку топлива, так как цена эквивалентного количества сжиженного газа ниже, чем бензина или дизельного топлива
- Обеспечение в перспективе устойчивого топливоснабжения (учитывая динамику изменения объемов нефтегазодобычи, сравнительный анализ запасов нефти и газа, прогнозы истощения месторождений)
СПГ как моторное топливо для автомобильного транспорта применяют в Соединенных Штатах Америки, Франции, Нидерландах, Норвегии, Германии и других странах. Помимо автотранспорта, сжиженный газ в качестве моторного топлива применяется и на других видах транспорта (водный — газовозы, железнодорожный — газотепловозы). На сегодняшний день уже насчитывается более двух сотен морских судов-метановозов, которые используются для транспортировки СПГ и применяют его в качестве моторного топлива. Во многих развитых странах ведутся работы по использованию сжиженного природного газа на морском, речном и ж/д транспорте.
| Грузовой автомобиль Kenworth T800 (газовый двигатель на сжиженном газе СПГ/LNG) | Грузовой автомобиль Peterbilt’s Model 386 (газовый двигатель на сжиженном газе СПГ/LNG) |
На сегодняшний день применение СПГ в качестве моторного топлива – довольно интенсивно развивающееся направление, которое в дальнейшем должно стать самостоятельной отраслью экономики развитых стран.
От сжигания до признания
Исторически сложилось, что потенциал газа как источника энергии был недооценен в нашей стране. Не видя экономически обоснованных сфер применения, нефтепромышленники старались избавиться от легких фракций углеводородов, сжигали их без пользы. В 1946 году выделение газовой промышленности в самостоятельную отрасль революционно изменило ситуацию. Объём добычи этого типа углеводородов резко увеличился, как и соотношение в топливном балансе России.
Когда ученые и инженеры научились сжижать газы, стало возможным строить газосжижающие предприятия и доставлять голубое топливо в отдаленные районы, не оборудованные газопроводом, и использовать в каждом доме, в качестве автомобильного топлива, на производстве, а также экспортировать его за твердую валюту.
Очистка и сжижение газа
По сути сжижение природного газа это процесс его очистки и охлаждения. Только температура требуется — минус 161 градус цельсия.
Чтобы достичь такого порядка температур используют эффект Джоуль Томпсона (изменение температуры газа при адиабатическом дросселировании — медленном протекании газа под действием постоянного перепада давлений сквозь дроссель). С его помощью температура очищенного газа опускается до значения при котором метан конденсируется. (прим. требует уточнения)
Установка по сжижению должна иметь отдельные линии по подготовке и восстановлению хладагента. Причем хладагентом на разных этапах охлаждения могут выступать отдельные фракции поступающего с месторождения газа (пропан, этан, метан) .
Дебутанизация это часть процесса дисциляции сырья по фракциям, в процессе которого фракции, температура конденсации которых выше, отделяются, что позволяет очистить конечный продукт от нежелательных примесей. Каждый продукт конденсации сохраняется в виде ценного побочного продукта для экспорта.
Так же в конечный продукт добавляют конденсат Стабилизаторы, которые снижают давление паров топлива конденсатов делая его более удобным для хранения и транспортировки. Так же они позволяют сделать процесс перехода метана из жидкого состояния обратно в газ (регазификация) управляемым и менее затратным для конечного потребителя.
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.
Выводы
1. Применение сжиженного природного газа в котельных показало, что СПГ обладает наивысшей теплотой сгорания, наивысшим значением КПД котельных установок, средней стоимостью и позволяет получать тепловую энергию дешевле, чем при использовании альтернативных энергоносителей, таких как мазут.
2. Пути транспортировки газа легко привязываются к котельным, т.к. СПГ можно доставлять (поставлять к котельным) железнодорожным транспортом.
3. СПГ сжигается легче и эффективнее, чем уголь или мазут. Утилизация сбросной теплоты от отходящих газов осуществляется также проще, т.к. топочный газ не загрязнен твердыми частицами или агрессивными соединениями серы. Применение СПГ как топлива сократит вредные выбросы в атмосферу. При проливе топлива он испаряется, а не впитывается в землю.
Литература
1. Киселев И.Г. Теплотехника на подвижном составе железных дорог: Учебное пособие для вузов ж.-д. транспорта. М.: ГОУ «Учебно-методический центр по образованию на железнодорожном транспорте», 2008. 278 с.
2. Бармин И.В., Кунис И.Д. Сжиженный природный газ вчера, сегодня, завтра/под ред. А.М. Архарова. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2009. 256 с.
3. Тимофеев В.А. Энциклопедия газовой промышленности (4-ое издание 1990), ред. пер. К.С. Басниев. М.: Акционерное общество ТВАНТ, 1994. 884 с.
4. Бучнев О.А., Саркисян В.А. Перспективы сжиженного природного газа на энергетических рынках // Газовая промышленность. 2005. № 2.
5. Вешицкий В.А. Изотермическое хранение сжиженных газов. Л.: Недра, 1970. 190 с.
6. Ильинский А.А. Транспорт и хранение промышленных сжиженных газов. М.: Химия, 1976.
