Как и зачем сжижают газ: технология производства и сфера использования сжиженного газа

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.

Перевод 1 тонны спг в кубометры (м3).

1 тонна СПГ — это примерно 1,38 тыс м

3

природного газа после регазификации.

Примерно — потому что плотность газа и компонентный на разных месторождения разная.

Формулу Менделеева — Клайперона никто не отменял.

Кроме метана в состав природного газа могут входить: этан, пропан, бутан и некоторые другие вещества.

Плотность газа изменяется в интервале 0,68 — 0,85 кг/м³, но зависит не только от состава, но и от давления и температуры в месте расчета плотности газа.

Стандартные условия для температуры и давления – это установленные стандартом физические условия, с которыми соотносят свойства веществ, зависящие от этих условий.

Национальный институт стандартов и технологий (NIST) устанавливает температуру 20 °C (293,15 K) и абсолютное давление 1 атм (101.325 кПа), и этот стандарт называют нормальной температурой и давлением (NTP).Плотность компонентов газа сильно различается:

  • Метан — 0,668 кг/м³, 
  • Этан — 1,263 кг/м³, 
  • Пропан — 1,872 кг/м³.

Поэтому, в зависимости от компонентного состава изменяется и количество м

3

газа при переводе из тонн.

Перевод 1 м³ СПГ в 1 м³ регазифицированного природного газаПропорции тоже зависят от компонентного состава.В среднем принимается соотношение 1: 600.1 м³ СПГ — это примерно 600 м3 природного газа после регазификации.

Процесс сжижения идет ступенями, на каждой из которых газ сжимается в 5-12 раз, затем охлаждается и передается на следующую ступень.  Собственно сжижение происходит при охлаждении после последней стадии сжатия. Процесс сжижения таким образом требует значительного расхода энергии — до 25 % от ее количества, содержащегося в сжиженном газе.

Ныне применяются 2 техпроцесса:

  • конденсация при постоянном давлении (компримирование), что довольно неэффективно из-за энергоемкости,
  • теплообменные процессы: рефрижераторный — с использованием охладителя и турбодетандерный/дросселирование с получением необходимой температуры при резком расширении газа.

В процессах сжижения газа важна эффективность теплообменного оборудования и теплоизоляционных материалов.

При теплообмене в криогенной области увеличение разности температурного перепада между потоками всего на 0,5ºС может привести к дополнительному расходу мощности в интервале 2 — 5 кВт на сжатие каждых 100 тыс м3 газа.

Недостаток технологии дросселирования — низкий коэффициент ожижения — до 4%, что предполагает многократную перегонку.

Применение компрессорно-детандерной схемы позволяет повысить эффективность охлаждения газа до 14 % за счет совершения работы на лопатках турбины.

Термодинамические схемы позволяют достичь 100% эффективности сжижения природного газа:

  • каскадный цикл с последовательным использованием в качестве хладагентов пропана, этилена и метана путем последовательного снижения их температуры кипения,
  • цикл с двойным хладагентом — смесью этана и метана,
  • расширительные циклы сжижения.

Известно 7 различных технологий и методы сжижения природного газа:

  • для производства больших объемов СПГ лидируют техпроцессы AP-SMR, AP-C3MR и AP-X с долей рынка 82% компании Air Products,
  • технология Optimized Cascade, разработанная ConocoPhillips,
  • использование компактных GTL-установок, предназначенных для внутреннего использования на промышленных предприятиях,
  • локальные установки производства СПГ могут найти широкое применение для производства газомоторного топлива (ГМТ),
  • использование морских судов с установкой сжижения природного газа (FLNG), которые открывают доступ к газовым месторождениям, недоступным для объектов газопроводной инфраструктуры,
  • использование морских плавающих платформ СПГ, к примеру, которая строится компанией Shell в 25 км от западного берега Австралии.

Подготовка газа к сжижению

Процесс обработки газа в высокой степени зависит от свойств сырого газа, а также от попадания тяжелых углеводородов через сырой газ. Для того чтобы сделать сжижение газа возможным, газ сначала подвергается обработке. При его входе на завод обычно происходит первоначальное разделение фракций и отделяется конденсат.

Поскольку большая часть примесей (вода, СО2, H2S, Hg, N2, He, карбонилсульфид COS, меркаптаны RSH и т.д.) замерзает при температурахСПГ или негативно влияет на качество продукта, соответствующее требуемой товарной спецификации, то и эти компоненты отделяются. Далее отделяются более тяжелые углеводороды для предотвращения их замерзания в процессе сжижения.

В табл. 2 представлены сводные данные по углеводородному сырью, используемому на всех рассматриваемых заводах.

Таблица 2

Составы газа на северных и южных заводах

Компонент

Сырой газ на южных заводах СПГСырой газ на северных заводах СПГ
ОАЭ

(усредненный поток)

Оман (усредненный поток)

Катар

Иран (м. Южный

Парс)

Кенай, СШАМелкойя, Норвегия (усред.)

Сахалин, Россия

Сухой газЖирный газ
1C1, %68,787,182,882,8–97,499,783,5ЕстьЕсть
2C2, %12,07,15,2

8,4–11,5

0,071,4То жеТо же
3C3, %6,52,22,0

0,06

2,2
4C4, %2,61,31,12,2
5C5, %0,70,80,61,2
6C6+, %0,30,52,68,6
7H2S, %2,90,50,5–1,210,01Нет
8CO2, %6,111,81,8–2,530,070,45–8%0,7
9N2, %0,10,13,33,3–4,560,10,50,8–3,6%<0,5
10HgЕстьЕстьЕстьЕстьЕсть
11HeЕсть
12COS, ppm3
13RSH, ppm232
14H2OЕстьЕстьЕстьЕстьЕстьЕстьЕстьЕсть

Очевидно, что углеводородные смеси каждого из семи заводов подходят для производства СПГ, поскольку их большую часть составляют легкие соединения метана и этана. Поток газа, поступающий на каждый из рассматриваемых заводов СПГ, содержит воду, азот, углекислый газ. При этом содержание азота варьируется в пределах 0,1–4,5%, СО2 – от 0,07 до 8%. Содержание жирного газа колеблется от 1% на заводе СПГ в ОАЭ до 5– 11% на заводах СПГ Ирана и Аляски.

Кроме того, в составе газа ряда заводов присутствует ртуть, гелий, меркаптаны, другие сернистые примеси. Проблему извлечения сероводорода приходится решать на каждом заводе, кроме завода СПГ в Омане. Ртуть присутствует в газе

Сахалина, Норвегии, Ирана, Катара и Омана. Наличие гелия подтверждается только на проекте Катаргаз2. Присутствие RSH, COS подтверждено в газе проекта СПГ Ирана.

Состав и объем газа влияют не только на количество производимого СПГ, но и на объем и разнообразие побочных продуктов, что показано в табл. 3. Становится ясно, что в первую очередь состав газа влияет на выбор и применение оборудования при обработке газа, а значит, и на весь процесс подготовки газа и конечный выход продукции.

Таблица 3

Побочные продукты в составе газа на рассматриваемых заводах СПГ

Побочный продукт  ОАЭ  Оман  Катар  ИранМелкойя, Норвегия
СНГНетНетДаНетДа
КонденсатДаДаДаДаДа
СераДаНетДаДаНет
ЭтанНетНетНетНетДа
ПропанДаНетНетДаДа
БутанДаНетНетДаНет
НафтаНетНетДаНетНет
КеросинНетНетДаНетНет
ГазойльНетНетДаНетНет
ГелийДа

Для удаления кислых газов на заводах СПГ используется процесс «Hi-Pure» – комбинация процесса с растворителем на основе K2CO3 для удаления основного объема СО2 и процесса с аминовым растворителем на основе ДЭА (диэтаноламин) для удаления остающейся части СО2 и H2S (рис. 1).

Рис. 1. Стандартная схема аминовой установки

На заводах СПГ в Иране, Норвегии, Катаре, Омане и на Сахалине применяется система аминовой очистки кислых газов МДЭА (метилдиэтаноламин) с активатором («aMDEA»).

У этого процесса есть ряд преимуществ перед физическими процессами и другими аминовыми процессами: лучшая абсорбционная и избирательная способность, более низкое давление паров, более оптимальные параметры эксплуатационной температуры, потребления энергии и т.д.

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.

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.

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.

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.

Как сжижают природный газ – особенности процесса

Главными целями в производстве сжиженного продукта являются:

  • получение конечного продукта как товарной единицы;
  • выделение бутановой, пропановой, этановой газовой фракции;
  • выделение гелия.

Фракционирование происходит в условиях пониженных температур (до -168°C). Данные условия приводят к уменьшении плотности сжиженного природного газа по сравнению с обычным в 600 раз. Ориентировочно, согласно данным электронного журнала Neftegaz.ru №12 от 2018 года, путем охлаждения можно сжать 1380 м3 природного газа до 1000 кг СПГ. Таковы примерные соотношения сжиженного газа к природному.

На производстве сжижение газа осуществляется по многоступенчатой технологии. Переход с одной ступени на другую характеризуется сжатием потока в 12 раз, до тех пор, пока не поменяется агрегатное состояние потока. Недостатком данного способа считаются энергетические потери, достигающие на выходе 25%.

На сегодняшний день разработаны две технологии получения СПГ:

  • компримирование;
  • технология, основанная на теплообменных процессах.

В первом случае протекает процесс конденсации с неизменным давлением, что негативно сказывается на энергоемкости в целом. Во втором варианте поток охлаждается с последующим резким дросселированием до нужных температурных параметров, однако после первого этапа степень сжижения газа составляет всего 4%. Выходом из ситуации является использование каскадных технологий, увеличивающих эффективность охлаждения до 100%.

Особое внимание в производстве СПГ необходимо уделять качественному теплообменному и изоляционную оборудованию, поскольку оно определяет возможность возникновения дополнительных расходов мощности. Так, при перепаде температуры внутри реактора или теплообменника на 1°C при проходе через него 100 000 м3 газовой смеси, затраты на сжатие по мощности увеличиваются на 5 кВт. Существует семь действующих вариантов технологий сжижения газовой смеси:

Существует семь действующих вариантов технологий сжижения газовой смеси:

  • для крупнотоннажного производства СПГ в 82% выбирают техпроцессы компании Air Products: AP-SMR, AP-C3MR, AP-X.
  • на втором месте стоит технология под названием Optimized Cascade, все права на которую принадлежат компании ConocoPhillips;
  • третье место занимают малогабаритные GTL-установки, предназначенные для использования в закрытых промышленных помещениях;
  • отдельные установочные единицы в производстве СПГ в мире находят широкое применение в циклах синтеза газомоторного топлива.

Для обеспечения доступности газовых месторождений (касается шельфовой добычи), в эксплуатацию были введены специальные морские суда,а также плавательные платформы (разработка компании Shell) укомплектованные холодильным оборудованием – по сути, сжижение происходит по механизму in siutu.

Сделать однозначный вывод об эффективности работы каждой не представляется возможным, поскольку зависит и определяется только обстоятельствами. Однако, если брать в расчет единичный завод по производству СПГ в России, то комплектация его такова:

  • оборудование для подготовки исходных веществ, в частности, система очистки газа;
  • оборудование для основного цикла процесса;
  • линии оборотной воды, конденсата, технологического пара;
  • герметичные резервуары, предназначенные для хранения жидкости, криоцистерного типа (сосуд Дуара);
  • оборудование для загрузки транспортировки СПГ без потерь на испарение;
  • транспортировочные танкеры и иные средства перевозки;
  • установки бесперебойной подачи электроэнергии и холодной воды в качестве хладагента.

Согласно источнику газеты Neftegaz.ru №12, в последнее время наибольшее внимание стало уделяться технологии, экономящей до 50% затрат энергии на получение целевого продукта. Она основана на использовании собственной энергии (потенциальной) сжиженного газа и естественном охлаждении потока при уменьшении давления в магистральном трубопроводе до отметки потребительского давления (ориентировочно с 6 МПа до 1,2 МПа)

Поделитесь в социальных сетях:FacebookX
Напишите комментарий