Технологии, связанные с добычей, транспортировкой и переработкой природного газа, стремительно развиваются. Многие уже знакомы с аббревиатурами СПГ (сжиженный природный газ) и СУГ (сжиженный углеводородный газ). В новостях практически каждый день звучат упоминания о газовом топливе в том или ином контексте.
Однако, чтобы получить ясное представление о данном процессе, необходимо понять, как газ превращается в жидкость, с какой целью это делается и какие плюсы или минусы это приносит. В этом вопросе имеется много нюансов.
Процесс сжижения природного газа проходит в несколько этапов. Первоначально газ очищается от примесей, таких как углекислый газ, водяной пар и сероводород. После этого газ проходит через холодильные системы, где его температура снижается до -162°C, что позволяет ему переходить в жидкое состояние. В жидком виде газ занимает в 600 раз меньше объема, чем в газообразном, что делает его более удобным для хранения и транспортировки.
Для сжижения газообразных углеводородов строятся современные высокотехнологичные заводы. В дальнейшем мы подробно рассмотрим, зачем это необходимо и каким образом происходит процесс сжижения.
Сжиженный газ используется в различных сферах: от бытового отопления до энергетики. Он служит чистым и эффективным топливом для транспортных средств, генерации электроэнергии и как сырье для химической промышленности. Кроме того, СПГ является важным элементом в переходе к более экологически чистым источникам энергии, сокращая выбросы углерода по сравнению с углем и нефтью.
К недостаткам сжиженного газа можно отнести высокие затраты на инфраструктуру для его добычи и транспортировки, а также потенциальные экологические риски, связанные с авариями и утечками. Тем не менее, развитие технологий позволяет значительно сократить эти риски и повысить эффективность использования газа.
Таким образом, сжижение газа — это важный технологический процесс, который содействует развитию энергетики, обеспечивает доступ к энергоресурсам и способствует экологическим инициативам на глобальном уровне.
Краткое содержание статьи
Зачем сжижают природный газ?
Голубое топливо извлекается из недр Земли в форме смеси, состоящей из метана, этана, пропана, бутана, гелия, азота, сероводорода и других газов, а также их производных.
Некоторые компоненты используются в химической промышленности, тогда как другие сжигаются в котлах или турбинах для производства тепловой и электрической энергии. Кроме того, часть добытого газа применяется в качестве топлива для газомоторного транспорта.
Исследования в области газовой энергетики показывают, что если необходимо довести природный газ на расстояние свыше 2500 км, его сжижение порой оказывается более выгодным, чем транспортировка по трубопроводу.
Основная цель сжижения природного газа – облегчить его перевозку на большие расстояния. Если потребитель и газовая скважина расположены близко друг к другу на суше, то разумнее и выгоднее проложить газопровод. Однако в определенных случаях создание магистрали становится чрезмерно затратным и сложным из-за особенностей местности. Поэтому широко используются технологии получения СПГ или СУГ в жидкой форме.
Экономика и безопасность перевозок
После сжижения газ закачивается в специальные контейнеры для транспортировки морским, речным, автомобильным и/или железнодорожным транспортом. При этом сам процесс сжижения требует значительных энергетических затрат.
На различных заводах на эти цели затрачивается до 25% первоначального объема газа. Таким образом, для генерации необходимого количества энергии происходит сжигание около одной тонны СПГ на каждые три тонны готового продукта. Тем не менее, спрос на природный газ высок, и эти затраты оправдывают себя.
Сжиженный метан (пропан-бутан) занимает в объеме 500–600 раз меньше, чем в газообразном состоянии.
Пока газ находится в жидком состоянии, он безопасен в плане горючести и взрывобезопасности. Лишь в процессе регазификации, когда жидкость испаряется, полученная газовая смесь становится пригодной для сжигания в котлах и плитах. Поэтому, когда СПГ или СУГ применяются как углеводородное топливо, их необходимо регазифицировать.
Использование в различных областях
Часто термины «сжиженный газ» и «сжижение газа» обсуждаются в контексте транспортировки углеводородного топлива. То есть сначала происходит добыча голубого топлива, затем его преобразование в СУГ или СПГ, после чего полученная жидкость транспортируется и затем снова преобразуется в газ для различных нужд.
СУГ в основном состоит более чем на 95% из смеси пропана и бутана, тогда как СПГ состоит на 85-95% из метана. Эти виды топлива имеют как схожие, так и кардинально отличающиеся характеристики.
СУГ из пропан-бутана в основном используется как:
- топливо для газомоторного транспорта;
- горючее для автономных систем отопления;
- состав для заправки зажигалок и газовых баллонов емкостью от 200 мл до 50 л.
СПГ, как правило, предназначен исключительно для длительной перевозки. Если для хранения СУГ достаточно контейнеров, способных withstand several atmospheres, то сжиженный метан требует использования специальных криогенных резервуаров.
Оборудование для хранения СПГ отличается высочайшей технологичностью и занимает значительное пространство. Использование такого топлива для легковых автомобилей невыгодно из-за высокой стоимости баллонов. Грузовики на СПГ уже существуют в виде экспериментальных моделей, но в сегменте легковых автомобилей это «жидкое» топливо вряд ли займет широкую нишу в ближайшем будущем.
Сжиженный метан все чаще применяется в:
- железнодорожных тепловозах;
- морских судах;
- речном транспорте.
Помимо использования в качестве энергоносителя, LPG и LNG также находят применение в жидком виде на газо-нефтехимических предприятиях, где из них изготавливаются различные виды пластмасс и другие углеводородные материалы.
Стоит отметить, что сжиженный природный газ также может использоваться как средство для снижения выбросов парниковых газов по сравнению с углем и нефтью. Во многих странах осуществляется переход на СПГ в качестве более чистого альтернативного топлива, что способствует улучшению экологической обстановки.
Более того, с появлением технологий маломасштабного сжижения газа (Small Scale LNG) стало возможным использовать СПГ даже в регионах с небольшой потребительской базой, что способствует созданию новых возможностей для энергетической независимости и развития локальных экономик.
Широкое применение СПГ также связано с его потенциалом для хранения энергии. Это делает его привлекательным вариантом для временнóго хранения избыточной электроэнергии, полученной из возобновляемых источников, таких как солнечные и ветерские электрические установки.
Технологии получения СУГ и СПГ
Чтобы перейти от газообразного состояния метана к жидкому, его необходимо охладить до -163 °C. Сжижение пропан-бутана происходит при -40 °C. Соответственно, технологии и затраты в обоих случаях существенно различаются.
Один литр СПГ соответствует примерно 1,38 куб. м природного газа (это значение может варьироваться в зависимости от температуры и давления), что приводит к уменьшению объема примерно на 620 раз.
Для сжижения природного газа существуют различные технологии от различных компаний:
- AP-SMR (AP-X, AP-C3MR);
- Оптимизированная каскада;
- DMR;
- PRICO;
- MFC;
- GTL и другие.
Все эти технологии основываются на процессах компримирования и/или термодинамического обмена. Сжижение происходит на заводе в несколько этапов, где газ постепенно сжимается и охлаждается до температуры, при которой он переходит в жидкую фазу.
Подготовка газовой смеси
Прежде чем приступить к сжижению сырого природного газа, необходимо удалить воду, гелий, водород, азот, серные соединения и другие нежелательные примеси. Для этого обычно применяют адсорбционные технологии глубокой очистки газовой смеси, пропуская ее через молекулярные сита.
Далее происходит второй этап подготовки, в процессе которого из газа удаляются тяжелые углеводороды. В результате в газе остаются только этан и метан (или пропан и бутан) с содержанием примесей менее 5%, что позволяет перейти к охлаждению и сжижению.
Первичная очистка от ненужных компонентов необходима для защиты холодильного оборудования от агрессивного воздействия воды, углекислого газа, сернистых соединений и прочих веществ.
Фракционирование позволяет избавиться от вредных примесей и выделить только основной газ для дальнейшего сжижения. При атмосферном давлении температура перехода в жидкое состояние для метана составляет -163 °C, для этана -88 °C, для пропана -42 °C, а для бутана -0,5 °C.
Эти температурные различия и объясняют необходимость разделения на фракции перед сжижением газа на заводе. Универсальной технологии сжижения для всех типов газообразных углеводородных соединений не существует, и для каждого из них разрабатывается своя технологическая линия.
Основной процесс сжижения
Основой для перевода газа в жидкое состояние является холодильный цикл, в котором тепло переносится от среды с низкой температурой к более теплой с помощью хладагента. Этот процесс многоступенчатый и требует наличия мощных компрессоров для расширения и сжатия теплоносителя, а также теплообменников.
Технологии компримирования высокотехнологичны, энергозатратны и дорогостоящи, но за один цикл позволяют сжать газ в 5–12 раз.
На различных стадиях сжижения в качестве хладагентов используются:
- пропан;
- метан;
- этан;
- азот;
- вода (как морская, так и очищенная);
- воздух.
Например, на заводе «Ямал-СПГ» компании Новатэк для первичного охлаждения природного газа используют прохладный арктический воздух, который позволяет снизить температуру сырья до +10 °C с минимальными затратами. В жаркие летние месяцы вместо него применяется морская вода из Северного Ледовитого океана, температура которой на глубине постоянна и составляет 3–4 °C.
А в качестве конечного хладагента на Ямале используется азот, который производится прямо на месте из воздуха. Таким образом, Арктика предоставляет все необходимые ресурсы для получения СПГ – от исходного природного газа до материалов, применяемых в процессе сжижения.
Сжижение пропана происходит по аналогичной схеме, как и у метана, но с гораздо менее низкими температурами – -42 °C против -163 °C. Поэтому сжижение газа для хранителя стоит значительно дешевле, хотя пропан-бутановые смеси на рынке менее востребованы.
Транспортировка и хранение
Большая часть СПГ транспортируется по морю крупногабаритными танкерами-газовозами. Перевозка по суше ограничена необходимостью поддерживать температуру «жидкого голубого топлива» около -160 °C, иначе метан начинает возвращаться в газообразное состояние, что может стать причиной взрывов.
Для транспортировки СУГ используются баллоны объемом 5–50 литров с давлением до 1,5–2 МПа, а также более крупные цистерны, рассчитанные на давление до 5–17 МПа.
Давление в резервуарах с СПГ близко к атмосферному. Однако, если температура жидкого метана превышает -160 °C, он начинает переходить в газ, что приводит к повышению давления в емкости и создает серьезные риски. Поэтому танкеры для перевозки СПГ оснащены системами для поддержания низких температур и имеют мощный теплоизоляционный слой.
СУГ регазифицируется прямо в своих газохранилищах, а регазификация СПГ осуществляется на специализированных установках, где отсутствует доступ кислорода. Согласно физике, жидкий метан при положительных температурах постепенно превращается в газ. Однако если этот процесс будет происходить на открытом воздухе вне специальных условий, это может привести к взрыву.
После сжижения природного газа на специальном заводе, он транспортируется, а затем на регазификационном заводе вновь превращается в газообразное состояние для дальнейшего использования.
Современные технологии регазификации обеспечивают высокую эффективность и безопасность процессов. Использование защитных систем, автоматизированного мониторинга и управления процессами также значительно снижает риски, связанные с перебоями в работе оборудования. На некоторых новых установках применяются технологии, позволяющие достигает эффективности около 98% при регазификации, что уменьшает потери исходного газа и повышает рентабельность.
Кроме того, в последние годы наблюдается тенденция к развитию мобильных и контейнерных установок для сжижения и регазификации газа, что позволяет эффективно использовать сжатый и сжиженный газ в удаленных или местных регионах с ограниченной инфраструктурой. Это открывает новые возможности для поставок газа в районы, которые ранее были недоступны для традиционных сетей.
Перспективы сжиженного водорода
Кроме сжиженного состояния, из природного газа можно извлечь еще один вид энергоносителя — водород. Метан представляет собой СН4, пропан — С3Н8, а бутан — С4Н10.
Водород содержится во всех этих углеводородах, и его можно выделить.
Основные преимущества водорода заключаются в его экологической чистоте и широком распространении на Земле, однако высокая стоимость его сжижения и потери из-за испарения фактически нивелируют эти достоинства.
Чтобы преобразовать водород из газообразного состояния в жидкое, его необходимо охладить до -253 °C. Этот процесс осуществляется с помощью многоступенчатых систем охлаждения и установок для «сжатия/расширения». На данный момент такие технологии довольно затратны, но ведутся работы по их оптимизации и удешевлению.
Также рекомендуем ознакомиться с нашей другой статьей, в которой мы подробно описали процесс создания водородного генератора для домашнего использования. Чтобы узнать больше, переходите по ссылке.
В отличие от сжиженного газа (LPG и LNG), водород в жидком состоянии гораздо более подвержен взрывоопасности. Даже небольшое количество водорода, смешанное с кислородом, образует горючую смесь, которая может воспламениться от малейшей искры. Хранение жидкого водорода возможно только в специализированных криогенных контейнерах. В настоящее время у водородного топлива существует слишком много недостатков.
Несмотря на текущие вызовы, водород, как альтернативный источник энергии, имеет огромный потенциал в контексте перехода на возобновляемые источники энергии и сокращения выбросов углерода. Исследуется возможность производства так называемого «зеленого водорода», который получается путем электролиза воды с использованием энергии из возобновляемых источников, таких как солнечные или ветряные электростанции.
Среди перспективных направлений использования сжиженного водорода можно выделить его применение в транспорте, например, в водородных топливных элементах для автомобилей, грузовиков и общественного транспорта. Это может значительно снизить зависимость от ископаемых видов топлива и уменьшить уровень загрязнения в городах.
Также стоит отметить, что международные организации и правительства многих стран активно инвестируют в исследования и разработки в области водородных технологий, что может привести к значительным прорывам и улучшению инфраструктуры для хранения и транспортировки водорода в ближайшие годы.
Выводы и полезное видео по теме
Производственный процесс сжижения газа и цели его сжижения:
Информация о сжиженных газах:
Существует несколько технологий сжижения газов. Для метана процесс отличается от технологии для пропан-бутана. Сжиженные углеводороды (СУГ) могут быть получены более экономично, а их транспортировка и хранение более удобны и безопасны. Получение сжиженного природного газа из метана предполагает более высокие затраты и сложное оборудование для регазификации. Однако метан на сегодняшний день имеет большую рыночную востребованность, в связи с чем его сжимают в гораздо больших объемах.
Если у вас есть дополнительные вопросы или ваш экспертный взгляд на технологию сжижения газа, не стесняйтесь задать вопросы или оставить комментарий в блоке ниже.
