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.

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.

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.

Один литр СПГ равен приблизительно 1,38 куб. м исходного природного газа (цифра эта зависит от температуры и давления), уменьшение в объеме – порядка 620 раз

Для сжижения природного газа используются следующие технологии от разных фирм:

• AP-SMR (AP-X, AP-C3MR);
• Optimized Cascade;
• DMR;
• PRICO;
• MFC;
• GTL и др.

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.

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.

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.

Для перевозки СУГ используются баллоны 5–50 литров с давлением внутри до 1,5–2 МПа и более крупные емкости-цистерны, рассчитанные на 5–17 МПа

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.

Главные достоинства водорода – экологичность и широкая распространенность в природе, однако высокая цена его сжижения и потери из-за постоянного испарения сводят практически на нет данные плюсы

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.