Сжиженный природный газ (СПГ), технологии сжижения. Как сжижают природный газ.

Один литр СПГ эквивалентен примерно 1,38 кубическим метрам сырого природного газа (в зависимости от температуры и давления), что представляет собой 620-кратное уменьшение объема СПГ или, точнее, самого природного газа.

Что такое сжиженный природный газ (СПГ)?

Сжиженный природный газ (СПГ), как его называют в энергетике, — это обычный природный газ, охлажденный до температур ы-162 °C для хранения и транспортировки в жидком виде (также известной как температура сжижения). Сжиженный газ хранится в изотермических резервуарах при температуре кипения, которая поддерживается за счет испарения СПГ. Это связано с тем, что метан, основной компонент СПГ, имеет критическую температур у-83oC, что значительно ниже температуры окружающей среды и не позволяет хранить СПГ в резервуарах высокого давления (например: критическая температура для этана составляет +32oC, для пропана +97oC). Во время использования СПГ испаряется до исходного состояния без присутствия воздуха. При регазификации (газ возвращается в исходное парообразное состояние) из одного кубометра СПГ получается около 600 кубических метров обычного природного газа.

Температура сжиженного газа

Чрезвычайно низкая температура СПГ делает его криогенной жидкостью. Вообще, вещества с температуро й-100 °C (-48 °F) или даже ниже считаются криогенными и требуют специальных технологий для их переработки. Для сравнения, самая низкая температура, измеренная на Земле, составляе т-89,2 °C (Антарктида), а в населенном пункт е-77,8 °C (поселок Оймякон, Якутия). Криогенная температура СПГ означает, что контакт с СПГ может привести к изменению свойств контактирующих материалов, которые становятся хрупкими и теряют свою прочность и функциональность. Поэтому в индустрии СПГ используются специальные материалы и технологии.

Нефть и природный газ — это ископаемые виды топлива, называемые «углеводородами», поскольку они содержат химические соединения атомов углерода и водорода. Химический состав природного газа зависит от места его добычи и способа переработки. Сжиженный природный газ представляет собой смесь метана, этана, пропана и бутана с небольшим количеством более тяжелых углеводородов и некоторых примесей, в основном азота и сложных соединений серы, воды, диоксида углерода и сероводорода, которые могут присутствовать в исходном газе, но должны быть удалены перед сжижением. Метан является основным компонентом, обычно, хотя и не всегда, составляя более 85% по объему.

Плотность сжиженного газа

Поскольку СПГ является разновидностью смеси, плотность СПГ мало меняется в зависимости от его фактического состава. Обычно СПГ имеет плотность от 430 до 470 кг на кубический метр, а его объем составляет примерно 1/600 объема газа при атмосферных условиях. Таким образом, он примерно на треть легче воздуха. Другим следствием этого факта является то, что сжиженный природный газ имеет меньшую плотность, чем вода, а это означает, что в случае утечки он может оставаться на поверхности и относительно быстро возвращаться в парообразное состояние.

СПГ не имеет запаха, цвета, не вызывает коррозии, не воспламеняется и не токсичен. СПГ хранится и транспортируется при чрезвычайно низких температурах при атмосферном (не высоком) давлении. При контакте с окружающей средой СПГ быстро испаряется и не оставляет следов в воде или на земле.

В жидком виде СПГ не взрывоопасен и не воспламеняется. В парообразном состоянии природный газ может воспламениться при контакте с источником горения и концентрации паров в воздухе от 5 до 15 процентов. Если концентрация паров природного газа ниже 5 процентов, то их недостаточно для возникновения пожара, а если выше 15 процентов, то в окружающей среде не хватает кислорода.

Очистка газа

Неочищенный природный газ фильтруется на входе для удаления взвешенных частиц. Затем он проходит через каплеотделители на входе. Там газ очищается от капель жидкости, которые задерживаются потоком в трубах. После выхода из каплеотделителя газ поступает в систему деацидификации.

Существует несколько способов очистки газа от кислотных примесей:

• – адсорбционная осушка;
• – химическая абсорбция;
• – физическая абсорбция.

Большинство заводов СПГ используют аминную очистку от диоксида углерода и сероводорода — метод химической абсорбции, при котором используются водные растворы амина (MEA, DEA, DGA, MDEA) и его соединений с активаторами.

Кстати, прочитайте также эту статью: Установка для стабилизации газового конденсата

В результате взаимодействия кислых газов с растворами аминов в системе очистки образуется вода, содержание которой в газе ограничено 1 ppmv, что определяет порядок расположения адсорбционного блока в технологической цепочке установки осушки.

Установки сжижения газа

Сегодня используются различные технологические процессы, в основе которых лежит один и тот же принцип: охлаждение и конденсация газа в теплообменнике с одним или несколькими хладагентами.

Основные компоненты оборудования процесса сжижения в основном включают теплообменники и компрессоры, а технологические компоненты — тип хладагента и процесс охлаждения.

При сжижении природного газа его основной компонент, метан, переходит в жидкое состояние. На рисунке показан пример схемы процесса сжижения природного газа.

В промышленности процессы сжижения природного газа используются для получения сжиженного природного газа в качестве конечного продукта, а также процессы сжижения в сочетании с процессами низкотемпературного фракционирования природного и попутного газов, которые позволяют выделить из этих газов бензин, бутан, пропан и этан и извлечь гелий из природного и попутного газов, содержащих гелий.

Для сжижения природного газа его необходимо охладить до температуры окол о-160 °C, то есть ниже критической температуры. Существует несколько способов достижения такой глубины охлаждения.

В настоящее время для производства СПГ используются два процесса:

1. конденсация при постоянном давлении (компримирование);
2. теплообменный: рефрижераторный с использованием охладителя или турбодетандерный/дросселирование с получением необходимой температуры при резком расширении газа.

Процесс сжижения природного газа является очень энергоемким, поэтому в современной мировой практике предпочтение часто отдается процессам сжижения с теплообменом.

Кстати, прочитайте эту статью: Очистка кислых газов от сероводорода.

Сжижение позволяет получать сжиженный природный газ при низких энергетических затратах. Недостатками являются низкая степень сжижения — до 4 % — и необходимость нескольких дистилляций.

В системе компрессор-диспенсер газ охлаждается за счет работы лопаток турбины. Благодаря использованию энергии вращающейся турбины процесс сжатия газа становится более энергоэффективным.

Степень сжижения систем всасывания компрессоров низкая, до 14 %. Это означает, что такая система, подобно удушению, требует наличия линии низкого давления для сброса в эту линию несжиженной части газа.

Кроме того, можно выделить следующие системы сжижения природного газа:

1. классический каскадный цикл с последовательным использованием в качестве хладагентов пропана, этилена и метана путем последовательного снижения их температуры кипения;
2. цикл с двойным хладагентом – смесью этана и метана;
3. расширительные циклы сжижения;
4. 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.

Каскадная система, использующая три отдельных хладагента с последовательно понижающимися точками кипения, требует большего капитала, но меньших эксплуатационных затрат. Эта система постепенно совершенствовалась, сегодня чаще используется смесь хладагентов; новая система называется самоохлаждающейся, поскольку часть хладагента — этан и пропан — получают из сжиженного природного газа. Инвестиционные затраты несколько ниже. В большинстве масштабных холодильных систем используются поршневые компрессоры, которые относительно дороги как с точки зрения капитальных, так и эксплуатационных затрат.

Лицензиары и технологии

Технологии сжижения для крупных заводов СПГ по всему миру:

• AP-C3MR — разработан Air Products & Chemicals, Inc. (APCI)
• AP-X — разработан Air Products & Chemicals, Inc. (APCI)
• AP-SMR (Single Mixed Refrigerant) — разработан Air Products & Chemicals, Inc. (APCI)
• Cascade — разработан ConocoPhillips
• MFC (mixed fluid cascade) — разработан Linde
• PRICO (SMR) — разработан Black & Veatch
• DMR (Dual Mixed Refrigerant)
• Liquefin — разработан Air Liquide
• “Арктический каскад” для ПАО “НОВАТЭК” (Ямал СПГ)

Процесс сжижения газа

• установка предварительной очистки и сжижения газа,
• технологические линии производства СПГ,
• резервуары для хранения, в тч специальные криоцистерны, устроенные по принципу сосуда Дюара,
• для загрузки на танкеры — газовозы,
• для обеспечения завода электроэнергией и водой для охлаждения.

Существует технология, позволяющая экономить до 50% энергии при сжижении за счет использования энергии, теряемой на газораспределительных станциях (ГРС) при перенаправлении газа с давления в магистральном трубопроводе (4-6 МПа) на давление у потребителя (0,3-1,2 МПа):

• используется как собственно потенциальная энергия сжатого газа, так и естественное охлаждение газа при снижении давления.
• дополнительно экономится энергия, необходимая для подогрева газа перед подачей к потребителю.

Чистый СПГ не горит, не воспламеняется и не взрывается сам по себе. В открытом пространстве при нормальной температуре СПГ переходит в газообразное состояние и быстро растворяется в воздухе. Испаренный СПГ может воспламениться при контакте с источником пламени. Для воспламенения необходима концентрация паров в воздухе от 5 % до 15 %. При концентрации до 5% паров недостаточно для возникновения пожара, а при концентрации выше 15% кислорода в окружающей среде очень мало. Для использования СПГ регазифицируется, т.е. испаряется в отсутствие воздуха. СПГ является важным источником энергии для многих стран, в том числе Японии, Франции, Бельгии, Испании и Южной Кореи.

Транспортировка СПГ представляет собой многоступенчатый процесс:

• морской переход танкера — газовоза,
• автодоставка с использованием спецавтотранспорта,
• ж/д доставка с использованием вагонов-цистерн,
• регазификация СПГ до газообразного состояния.

Газифицированный СПГ транспортируется по трубопроводам к конечным потребителям.

Основные производители СПГ по данным 2009 г:

Катар — 49,4 млрд м³, Малайзия — 29,5 млрд м³, Индонезия — 26,0 млрд м³, Австралия — 24,2 млрд м³, Алжир — 20,9 млрд м³, Тринидад и Тобаго — 19,7 млрд м³. Основные импортеры СПГ в 2009 году: Япония — 85,9 млрд куб. м, Республика Корея — 34,3 млрд куб. м, Испания — 27,0 млрд куб. м, Франция — 13,1 млрд куб. м, США — 12,8 млрд куб. м, Индия — 12,6 млрд куб. м.

В России к 2021 году должны быть введены в эксплуатацию 4 завода по производству СПГ.

Завод СПГ «Сахалин-2» был введен в эксплуатацию в 2009 году. Основными акционерами являются Газпром, 27,5 % принадлежит Shell и 12,5 % и 10 % — японским компаниям Mits ui и Mitsubishi соответственно.

В 2015 году объем производства составил 10,8 млн тонн/год, превысив плановую мощность на 1,2 млн тонн/год.

Однако из-за падения цен на мировом рынке выручка от экспорта СПГ в долларовом выражении снизилась на 13,3 % до $4,5 млрд в год по сравнению с 2014 годом.

НОВАТЭК, который в январе 2018 года ввел в эксплуатацию завод СПГ на проекте «Ямал СПГ», становится крупным игроком на российском рынке СПГ.

Новатэк-Юрхаровнефтегаз» (дочерняя компания «Новатэка») выиграла аукцион на право пользования Няхартинским суббассейном в ЯНАО.

Няхартинский участок недр необходим компании для развития проекта СПГ в Арктике. Это второй проект «Новатэка», ориентированный на экспорт СПГ.

В США уже введены в эксплуатацию пять экспортных терминалов СПГ общей мощностью 57,8 млн тонн в год.

На европейском газовом рынке американский СПГ и российская газовая сеть сегодня явно противопоставлены друг другу.

Перспективы сжиженного водорода

Помимо прямого сжижения и использования в таком виде, из природного газа можно производить и другой энергоноситель — водород. Метан — это CH₄Сжиженный нефтяной газ, пропан C₃Н₈и бутан C₄Н₁₀.

Водородный компонент присутствует во всех этих ископаемых видах топлива, его просто нужно выделить.

Основными преимуществами водорода являются его экологичность и широкое распространение, однако высокая стоимость сжижения и потери из-за постоянного испарения практически сводят на нет эти преимущества.

Чтобы превратить водород из газа в жидкость, его необходимо охладить д о-253 °C. Это требует использования многоступенчатых процессов. Это требует использования многоступенчатых холодильных систем и установок «сжатия/расширения». В настоящее время эта технология очень дорогая, но предпринимаются усилия по ее удешевлению.

Мы также рекомендуем прочитать другую нашу статью, в которой мы подробно описали, как можно самостоятельно построить водородный генератор для дома. Прочтите ссылку для получения более подробной информации.

В отличие от сжиженного газа и СПГ, сжиженный водород гораздо более взрывоопасен. При малейшей утечке водорода в сочетании с кислородом образуется газовоздушная смесь, которая воспламеняется при малейшей искре. Кроме того, жидкий водород можно хранить только в специальных криогенных контейнерах. Пока что у водорода как топлива слишком много недостатков.

Выводы и полезное видео по теме

Как получают жидкий газ и зачем его сжижают:

Все о сжиженных газах:

Существуют различные технологии сжижения газов. Они различаются для метана и для пропан-бутана. Однако сжиженный газ дешевле в получении и проще и безопаснее в транспортировке/хранении. Извлечение СПГ из метана более дорогостоящее и сложное. Кроме того, для регазификации требуется специальное оборудование. Кроме того, метан сегодня более востребован на рынке, поэтому его сжижают в гораздо больших количествах.

У вас есть дополнительные вопросы или экспертное мнение по теме сжижения газа? Возможно, у вас есть что добавить к вышесказанному. Задайте свои вопросы и/или прокомментируйте статью в поле ниже.

Хранение СПГ

Для хранения природного газа в сжиженном состоянии используются специальные резервуары, которые могут быть наземными или подземными. Подземные резервуары имеют цилиндрическую форму и куполообразную крышу. Надземные резервуары могут быть как цилиндрическими, так и сферическими.

Резервуары СПГ имеют двойные стенки, между которыми находится система изоляции, содержащая криогенную жидкость. Резервуары изготавливаются из металлов и сплавов с низким коэффициентом теплового расширения.

Вокруг резервуаров строятся дамбы и плотины для ограничения возможной утечки во время хранения. В случае подземного резервуара в днище имеются специальные уплотнительные стенки и непроницаемый промежуточный слой.

Подземные резервуары для СУГ считаются более безопасными. Это особенно актуально в сейсмически активных районах. Однако стоимость строительства подземных резервуаров выше, чем аналогичных наземных. Поэтому большинство резервуаров для хранения СПГ строятся над землей при строгом соблюдении правил безопасности.

Транспортировка СПГ

СПГ транспортируется в специальных изотермических резервуарах, установленных на судах и наземных транспортных средствах.

Для морских перевозок используются специальные газотранспортные рефрижераторы — СПГ-танкеры, то есть суда, оснащенные несколькими независимыми криогенными резервуарами, разделенными жесткой пенопластовой изоляцией, предназначенные для перевозки СПГ при атмосферном давлении и температур е-162,5°C. СПГ также перевозится по суше в специальных танкерах и по железной дороге.

СПГ транспортируется на регазификационные заводы. Газифицированный СПГ транспортируется к конечному потребителю по трубопроводам.

История

Первые попытки сжижения природного газа были предприняты в начале 20 века и увенчались успехом в США в 1917 году. Однако примерно в то же время промышленники сосредоточились на транспортировке газовых продуктов по трубопроводам, и развитие технологии сжижения было заморожено.

Следующая попытка производства СПГ была предпринята в 1941 году, также в США (Кливленд, штат Огайо), но промышленное производство СПГ началось только в середине 1960-х годов. Первая межконтинентальная перевозка СПГ была осуществлена в 1959 году в составе грузового рейса из США в Великобританию на модернизированном танкере времен Второй мировой войны.

Быстрый рост рынка СПГ начался в 1990-х годах. В период с 2000 по 2018 год экспорт и импорт этого продукта увеличился более чем в два раза.

В России первый завод СПГ был построен в 2006 году в рамках проекта «Сахалин-2». Завод был введен в эксплуатацию зимой 2009 года.