Американцы не покидали свои позиции. Напротив, они активно управляют терминалами для экспорта сжиженного природного газа с общей мощностью, достигающей 57,8 миллиарда тонн в год. Это не вызывает сомнений, особенно учитывая длительный и напряжённый конфликт между упомянутыми странами.
Как и зачем сжижают газ: технология производства и сфера использования сжиженного газа
Технологические процессы, связанные с извлечением, транспортировкой и переработкой газа, развиваются с поразительной стремительностью. Сжиженный природный газ (СПГ) и сжиженный нефтяной газ (СНГ) стали знакомыми терминами, которые чаще упоминаются в средствах массовой информации. Пожалуй, почти ежедневно можно услышать упоминания о природном газе в той или иной форме новостных сообщений или специализированных статьях.
Тем не менее, для глубокого понимания происходящего на газовом рынке крайне важно осознать, каким образом осуществляется сжижение природного газа. Эта тема имеет множество нюансов и тонкостей, которые следует рассмотреть подробнее.
Крупные технологические установки предназначены для извлечения углеводородного газа, и таким образом обеспечивается создание необходимых условий для его хранения и транспортировки в сжиженном виде. Давайте подробнее разберем, что такое эти установки и как они функционируют.
Зачем сжижают природный газ?
Голубое топливо, как его часто называют, извлекается из недр земли в виде сложной смеси, включающей метан, этан, пропан, бутан, соляр, азот, водород и другие газы, а также их производные. Эти компоненты могут быть использованы для различных целей — некоторые из них находят применение в химической промышленности, а другие сжигаются в котлах или турбинах для генерации тепла и электроэнергии. Кроме того, значительная часть экспорта осуществляется в качестве моторного топлива.
Согласно расчетам газовых компаний, при транспортировке голубого топлива на расстояние, превышающее 2500 километров, зачастую выгоднее использовать сжиженную форму, чем транспортировать его по трубопроводам. Основной плюс сжиженного газа заключается в облегчении его транспортировки на большие дистанции. Когда потребители и скважины для извлечения находятся относительно близко друг к другу, экономически проще и эффективнее проложить трубопровод. В отдельных случаях, особенно из-за географических сложностей, строительство магистрального трубопровода становится крайне дорогостоящим и затруднительным. В таких ситуациях и применяется сжижение природного газа, когда газ переводится в жидкую форму с использованием различных технологий.
Экономика и безопасность на транспорте
После сжижения газ в жидком виде перекачивается в специальные контейнеры для транспорта, который может осуществляться морским, речным, автомобильным или железнодорожным способом. С технической точки зрения, процесс сжижения довольно затратный в плане потребления энергии. На различных нефтеперерабатывающих заводах он составляет до 25% от первоначального объема извлеченного газа. Иными словами, для получения одной тонны сжиженного природного газа необходимо «кремировать» до одной тонны сырого газа, чтобы обеспечить необходимую энергию. Тем не менее, спрос на природный газ в настоящее время велик, что делает процесс сжижения экономически оправданным.
Следует отметить, что метан (включая пропан и бутан) в сжиженном состоянии занимает объем, превышающий объем газа в 500-600 раз. Несмотря на это, как жидкость, газ является невоспламеняющимся, однако его взрывоопасные свойства проявляются только в газообразном состоянии. Важно помнить, что для использования СПГ или СНГ в качестве топлива необходимо, чтобы газ сначала испарился и преобразовался в газовую смесь, пригодную для применения в котлах и домашних кухнях.
Использование в различных областях применения
Чаще всего термины СПГ и LNG (Liquefied Natural Gas) упоминаются в контексте передачи углеводородной энергии. Это подразумевает, что голубое топливо вначале извлекается из недр, а затем преобразуется в сжиженную форму. Полученная жидкость затем переводится обратно в газообразное состояние для различных потребностей.
Сжиженный газ, состоящий на 95% и более из смеси пропана и бутана, в то время как сжиженный природный газ содержит от 85 до 95% метана. Эти два типа топлива имеют как сходства, так и фундаментальные различия.
Пропан-бутан в сжиженном виде используется в различных целях:
- Для газовых двигателей;
- Как топливо для объектов с автономным отоплением, например, для газгольдеров;
- Для заполнения легких жидкостей и газовых баллонов, которые могут контейнировать от 200 мл до 50 л.
Сжиженный природный газ, в отличие от СНГ, в большинстве случаев производится исключительно для транспортировки на дальние расстояния. Для хранения сжиженного газа требуются резервуары, способные выдерживать давление в несколько атмосфер, в то время как для хранения сжиженного метана нужны специальные криогенные резервуары.
Технологии получения СУГ и СПГ
Для того чтобы преобразовать метан из газообразного в жидкое состояние, его необходимо охладить до температуры -163°C. В то время как для сжижения пропан-бутана требуется температурный режим -40°C. Эти температурные различия приводят к значительным различиям в технологиях и затратах на сжижение газа.
Один литр сжиженного природного газа сопоставим примерно с 1,38 кубическими метрами сырого газа (показатели варьируются в зависимости от температуры и давления), что указывает на сокращение объема примерно на 620 раз.
Для сжижения природного газа применяются различные технологии, разработанные различными компаниями, включая:
- AP-SMR (AP-X, AP-C3MR);
- оптимизированное масштабирование;
- ПМР;
- ПРИКО;
- МФЦ;
- GTL и другие.
Все эти технологии основаны на процессах сжатия и теплообмена. Процесс сжижения проходит в установках, состоящих из нескольких этапов, в ходе которых газ постепенно сжимается и охлаждается до температуры, позволяющей ему перейти в жидкую фазу.
Приготовление газовых смесей
Перед тем как приступить к сжижению, из газа необходимо удалить воду, гелий, водород, азот, соединения серы и другие примеси. Это обычно достигается посредством процесса адсорбции, когда газовая смесь проходит через молекулярное сито для глубокой очистки.
На следующем этапе подготовки сырья удаляются тяжелые углеводороды. Таким образом, в конечном газе остаются только этан и метан или пропан и бутан с содержанием примесей не более 5%, что позволяет эффективно охлаждать и сжимать эту фракцию до жидкого состояния.
Первичная обработка включает в себя удаление из природного газа всех нежелательных компонентов, тем самым защищая холодильные установки от негативного воздействия агрессивных веществ, таких как вода, углекислый газ и различные соединения серы.
Фракционирование производится для удаления вредных примесей и позволяет выделить только основные газы, подлежащие сжижению. Температура перехода в жидкое состояние для метана при давлении 1 бар составляет -163°C, для этана -88°C, для пропана -42°C и для бутана -0,5°C. Эти температурные различия подчеркивают необходимость в отделении газов по фракциям и сжижения на специализированных заводах. Не существует универсальной технологии сжижения, подходящей для всех типов углеводородных газов; для каждого из них разрабатывается отдельная технологическая линия.
Основной процесс сжижения
Основу процесса сжижения газа составляют холодильные циклы, которые переносят тепло из среды с более низкой температурой в более теплую среду с помощью различных хладагентов. Процесс сжижения является многоступенчатым и требует использования мощных компрессоров для расширения и сжатия хладагента, а также теплообменников.
Технология сжатия довольно сложна, требует значительных энергетических затрат, но дает возможность сжимать газ от 5 до 12 раз за один цикл.
Хладагенты, использующиеся на различных этапах сжижения, включают:
- пропан;
- метан;
- этан;
- азот;
- вода (морская и очищенная);
- воздух.
Например, компания «Новатэк Ямал СПГ» использует холодный арктический воздух для первичного охлаждения газа. Это позволяет снизить температуру сырья до +10°C с минимальными затратами. В летний период также используется морская вода из Северного Ледовитого океана, обладающая температурой на уровне 3-4°C, что делает процесс еще более эффективным.
После того как природный газ в форме СПГ будет сжат, он снова переводится в газообразное состояние для дальнейшего использования в установках, посредством процесса регазификации.
Температура сжиженного газа
Сжиженный природный газ представляет собой жидкость с крайне низкой температурой. Исходя из принятых определений, вещества, у которых температура ниже -100°C (-48°F), классифицируются как криогенные и нуждаются в специальных подходах к обработке. Например, самое низкое значение температуры, когда-либо зафиксированной на Земле, составляет -89,2°C, зафиксированное в Антарктиде, в то время как на территории населенных пунктов наиболее низкая температура зарегистрирована на уровне -77,8°C в селе Оймякон, расположенном в Якутии. Эти крайне низкие температуры, характерные для сжиженного природного газа, подразумевают, что контакт с ним способен изменять свойства материалов, с которыми он соприкасается, делая их хрупкими и потенциально непригодными для использования. Именно поэтому в производстве сжиженного природного газа применяются специализированные материалы и технологии.
Нефть и природный газ являются ископаемыми видами топлива, обычно известными как «углеводороды». Это название было выбрано в связи с химической комбинацией атомов углерода и водорода, входящих в их состав. Химический состав природного газа варьируется в зависимости от места его добычи и способов переработки. Сжиженный природный газ представляет собой комбинацию метана, этана, пропана, бутана и небольших количеств тяжелых углеводородов, а также примесей, наиболее часто включая соединения азота и серы, воду, диоксид углерода и сероводород, которые должны быть удалены при переработке газа. Метан является самым значимым компонентом, обычно составляя более 85% по объему.
Плотность сжиженного газа
Плотность сжиженного природного газа может незначительно колебаться с учетом его фактического состава. Обычно плотность сжиженного природного газа находится в диапазоне от 430 до 470 килограммов на кубический метр, что эквивалентно примерно 1/600 части объема природного газа при стандартных атмосферных условиях. Это означает, что сжиженный газ примерно на 30% легче воздуха. Значительная плотность сжиженного газа позволяет ему оставаться на поверхности воды в случае утечки и быстро возвращаться в газообразное состояние.
Стоит также отметить, что сжиженный природный газ не обладает запахом, не имеет цвета, не вызывает коррозии, не воспламеняется и является нетоксичным. СПГ хранится и транспортируется под атмосферным давлением (без высокого давления) при крайне низких температурах. При попадании в атмосферу сжиженный газ быстро испаряется, не оставляя никаких следов ни в воде, ни на земле.
Важно осознавать, что сжиженный природный газ не взрывается и не воспламеняется в своем жидком состоянии. Тем не менее, при испарении газ может смешиваться с источниками горения, что при определенной концентрации паров в воздухе, составляющей от 5 до 15%, может привести к их воспламенению. Если концентрация паров газа менее 5%, этого количества не хватает для возникновения пожара; если значение превышает 15%, то в окружающей среде недостаточно кислорода для поддержания горения.
Преимущества сжиженного природного газа
- Во время процесса сжижения плотность газа увеличивается в сотни раз. Это приводит к повышению как эффективности и удобства хранения, так и к улучшению транспортировки и потребления энергоносителей.
- Сжиженный природный газ представляет собой нетоксичную криогенную жидкость, которая хранится в изолированных резервуарах при температуре -162°C. Благодаря этому значительное количество сжиженного газа может храниться в специализированных резервуарах при нормальном атмосферном давлении.
- Сжиженный природный газ предоставляет возможности для межконтинентальных транспортировок с использованием специализированных цистерн, а также позволяет организовывать железнодорожные и автомобильные перевозки.
- Сжиженный природный газ дает возможность газифицировать объекты, расположенные на значительных расстояниях от магистрального трубопровода, создавая запасы газа непосредственно на территории потребителя и избегая при этом создания дорогих трубопроводных систем.
С точки зрения потребителей, преимущества СПГ произрастают не только из его состава и природных характеристик, но и из его возможности служить источником сухого природного газа, который транспортируется по трубопроводам, а также из определения ШФЛУ (широкий диапазон производных: пропан, бутан и т.д.), которые присутствуют в СПГ и могут быть извлечены при переработке. Такие углеводороды становятся важным сырьем для нефтехимической промышленности ومد источником экологически чистого燃料 для различных видов транспорта, включая бытовые нужды. В процессе переработки терминалы МСФО отделяют компоненты c2+ или c3+. Возможность транспортировки сжиженного природного газа выгодна не только для потребителей, но и решает задачи производителя в отношении трансфера сжиженного природного газа из месторождений.
Сжиженный природный газ является безопасным и экологически чистым топливом с высокой энергетической плотностью и высоким октановым числом. Цена СПГ для конечного потребителя ниже, чем у сжиженной нефти, мазута и особенно дизельного топлива.
