Готовим СПГ: что нужно для сжижения природного газа
На наших глазах происходит бум проектов, основанных на добыче и использовании сжиженного природного газа (СПГ). Как производится, транспортируется и может использоваться СПГ – читайте в рассказе ТГД.
Свойства
СПГ представляет собой природный газ, доведённый до температуры минус 162 градуса. За счёт охлаждения газ сжимается в объёме до 600 раз. Именно благодаря этому свойству СПГ так удобен в транспортировке. При переводе СПГ обратно – из жидкого в газообразное состояние, из одной тонны СПГ можно получить примерно 1,38 тыс. куб. м природного газа.
От других жидких видов топлива сжиженный газ отличается высокой экологичностью. Без источника пламени чистый СПГ не воспламенится и не взорвётся. При попадании на открытое пространство СПГ возвращается в газообразное состояние и растворяется в воздухе.
Производство
Существуют несколько различных технологий и методов получения СПГ, но сходятся они в том, что газ сначала очищают, сжимают, а затем охлаждают.
Типовая установка сжижения СПГ включает в себя следующие узлы: блок подготовки сырьевого газа, блок сжижения, блок хранения компонентов хладагента, блок фракционирования, блок хранения СПГ, блок налива СПГ, факельное хозяйство, блок производства азота и воздуха КИП.
Что касается примеров действующих объектов, то с 2009 года на Сахалине работает завод по производству СПГ компании «Сахалин Энерджи». Завод включает в себя две технологические линии и объекты общего назначения. Мощность завода составляет 9,6 млн тонн СПГ в год.
По данным «Сахалин Энерджи», для выпуска СПГ применяется технология двойного смешанного хладагента, разработанная концерном «Шелл». Данная технология максимально использует региональные климатические особенности – холодные зимы.
Особенности холодного климата учтены и в крупнейшем российском проекте по добыче и сжижению газа – «Ямал СПГ». Производственный комплекс состоит из трёх технологических линий производительностью 5,5 млн тонн в год. По состоянию на октябрь 2018 года действуют две линии, третья готовится к запуску. Таким образом, полная мощность «Ямала СПГ» составит 16,5 млн тонн.
Завод «Ямал СПГ» находится в порту Сабетта, в непосредственной близости от месторождений. По газосборным сетям углеводородная смесь из скважин поступает на единый комплекс подготовки и сжижения газа.
По данным предприятия, процесс производства СПГ выглядит на «Ямале СПГ» следующим образом. На входе с помощью сепарационной установки производится очистка газа от механических примесей, воды, метанола и конденсата. Далее отсепарированный газ поступает на технологические линии сжижения и последовательно проходить очистку от кислых газов и следов метанола, осушку и удаление ртути, извлечение фракций этана, пропана и более тяжёлых углеводородов. Наконец, очищенный газ подаётся на предварительное охлаждение и сжижение.
Транспортировка
Как правило, готовый СПГ поступает для хранения в гигантские резервуары, расположенные на берегу. Там газ находится до погрузки на танкер-газовоз через специальный причал.
После погрузки танкер-газовоз доставляет СПГ в терминал, где происходит перевалка сжиженного газа либо для хранения, либо для отправки на регазификационную установку, после которой газ попадает уже к потребителю. Регазификационные установки, как и перевалочные терминалы, могут быть плавучими, что делает рынок СПГ ещё более мобильным.
Следует отметить, что в последние годы поставщики сжиженного природного газа активно взялись за автомобильный транспорт и борются за свою долю на рынке топлива.
В целом, по сравнению с трубопроводным газом, манёвренность СПГ гораздо выше. Собственник сжиженного природного газа не привязан к конкретному покупателю трубопроводом и может отправить танкер-газовоз в любую точку мира. Главное, чтобы там были мощности для обработки такого груза.
Интересно, что технология сжижения газа была открыта более 100 лет назад. Первый СПГ был получен в США ещё в 1917 году. Однако развитие трубопроводного транспорта затормозило скачок СПГ. Похоже, теперь сжиженный газ решил взять реванш.
Яркий пример разворачивается буквально на наших глазах – битва за газовый рынок Европы. Сумеет ли СПГ значительно потеснить на европейском рынке трубный газ, увидим в ближайшие несколько лет. Впрочем, следует учитывать, что в этой борьбе политика играет не меньшую роль, чем технологии.
Как и зачем сжижают газ: технология производства и сфера использования сжиженного газа
Связанные с добычей, транспортировкой и переработкой природного газа технологии развиваются стремительными темпами. И у многих сегодня на слуху аббревиатуры СПГ (LPG) и СУГ (LNG). Практически через день в новостях в том или ином контексте упоминается природное газовое топливо.
Но, согласитесь, чтобы иметь четкое понимание о происходящем, важно изначально разобраться, как сжижается газ, зачем это делается и какую выгоду дает либо не дает. А нюансов в данном вопросе существует масса.
Чтобы произвести сжижение газообразных углеводородов, строятся крупные высокотехнологичные заводы. Далее мы внимательно разберемся: для чего все это нужно и как происходит.
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.
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.
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 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.
Технологии получения СУГ и СПГ
Чтобы перевести метан из газового состояния в жидкое, его необходимо охладить до -163 °С. А пропан-бутан сжижается уже при -40 ° С. Соответственно технологии и затраты в обоих случаях сильно различаются.
Для сжижения природного газа используются следующие технологии от разных фирм:
В основе всех них лежат процессы компримирования и/или теплового обмена. Операция по сжижению происходит на заводе в несколько этапов, в ходе которых газ постепенно сжимается и охлаждается до температуры перехода в жидкую фазу.
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.
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.
В качестве хладагента на разных стадиях сжижения применяются:
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.
Транспортировка и хранение
Практически весь объем СПГ перевозится крупногабаритными морскими танкерами-газовозами от одного берега к другому. Транспортировка по суше ограничена необходимостью поддерживать температуру «жидкого голубого топлива» на значениях около -160 °С, иначе метан начинает переходить в газовое состояние и становится взрывоопасным.
Давление в емкости с СПГ близко к атмосферному. Однако, если температура жидкого метана поднимется выше -160 °С, то он начнет превращаться из жидкости в газ. В результате давление в емкости начнет повышаться, что представляет серьезную опасность. Поэтому танкеры для перевозки СПГ оборудуются установками поддержания низких температур и мощным слоем теплоизолятора.
СУГ регазифицируется в газ прямо в газгольдере. А регазификация СПГ производится на специальных промышленных установках без доступа кислорода. По физике жидкий метан при положительной температуре постепенно превращается в газ. Однако если это будет происходить прямо на воздухе вне специальных условий, то такой процесс приведет к взрыву.
После того, как природный газ в виде СПГ сжижают на заводе, его перевозят, а потом опять на заводе (только регазификационном) превращают обратно в газообразное состояние для дальнейшего применения.
Перспективы сжиженного водорода
Помимо непосредственного сжижения и использования в таком виде из природного газа также можно получить еще один энергоноситель – водород. Метан это СН4, пропан С3Н8, а бутан С4Н10.
Водородная составляющая присутствует во всех этих ископаемых топливах, надо лишь выделить ее.
Чтобы водород из состояния газа перевести в жидкость, его требуется охладить до -253 °С. Для этого используются многоступенчатые системы охлаждения и установки «сжатия/расширения». Пока подобные технологии слишком дороги, но работа по их удешевлению ведется.
Рекомендуем также прочесть другую нашу статью, где мы подробно рассказали, как сделать водородный генератор для дома своими руками. Подробнее – переходите по ссылке.
Также в отличие от LPG и LNG сжиженный водород гораздо более взрывоопасен. Малейшая его утечка в соединении с кислородом дает газовоздушную смесь, которая воспламеняется от малейшей искры. А хранение жидкого водорода возможно лишь в специальных криогенных контейнерах. Минусов у водородного топлива пока слишком много.
Выводы и полезное видео по теме
Как производят сжиженный газ и зачем его сжижают:
Все про сжиженные газы:
Технологий сжижения газов существует несколько. Для метана они свои, а для пропан-бутана свои. При этом СУГ получить дешевле, а перевозить/хранить проще и безопасней. Получение метанового СПГ является более затратным и сложным процессом. Плюс его регазификация требует специализированного оборудования. При этом метан более востребован сегодня на рынке, поэтому его сжижают гораздо в больших объемах.
Имеются уточняющие вопросы или свое экспертное мнение по теме сжижения газа? Возможно, у вас есть что добавить к вышеизложенному. Не стесняйтесь, спрашивайте и/или комментируйте статью в расположенном ниже блоке.