Одна линия сжиженного природного газа (СПГ) мощностью 1,5 млн м3 в год:
Как и зачем сжижают газ: технология и применение сжиженного газа
Технологии, связанные с добычей, транспортировкой и переработкой природного газа, быстро развиваются. Сегодня многим знакомы аббревиатуры "сжиженный природный газ" (СПГ) и "сжиженный нефтяной газ" (СНГ). Почти каждый день природный газ упоминается в новостях в том или ином контексте.
Однако мы считаем, что для четкого понимания происходящего важно сначала понять, как сжижается газ, зачем это делается и какие преимущества это дает или не дает. В этом вопросе есть много нюансов.
Для сжижения газообразных углеводородов строятся крупные высокотехнологичные предприятия. Ниже мы подробно рассмотрим, зачем и как это делается.
Зачем сжижают природный газ?
Голубое топливо добывается из земли в виде смеси метана, этана, пропана, бутана, гелия, азота, сероводорода и других газов, а также различных производных.
Часть его используется в химической промышленности, а часть сжигается в котлах или турбинах для выработки тепла и электроэнергии. Кроме того, часть добытого газа используется в качестве моторного топлива.
Расчеты газовых компаний показывают, что если голубое топливо необходимо транспортировать на расстояние 2500 км и более, то зачастую экономически выгоднее перевозить его в сжиженном виде, чем по трубопроводу.
Основная причина сжижения природного газа – облегчение его транспортировки на большие расстояния. Если потребитель и скважина, добывающая газовое топливо, расположены на небольшом расстоянии друг от друга на суше, проще и экономически эффективнее проложить между ними трубопровод. Однако в некоторых случаях строительство трубопровода является слишком дорогостоящим и географически проблематичным. Поэтому для производства СПГ или СНГ в жидком виде используются различные технологии.
Экономичная и безопасная транспортировка
После сжижения газа он перекачивается в жидком виде в специальные резервуары для транспортировки по морю, реке, автомобильным и/или железным дорогам. С технологической точки зрения, сжижение является довольно дорогостоящим процессом с точки зрения потребления энергии.
На различных нефтеперерабатывающих заводах на него уходит до 25% от исходного объема топлива. Другими словами, на каждые три тонны СПГ в готовом виде приходится до одной тонны СПГ, который необходимо сжечь для получения требуемой энергии. Но природный газ в настоящее время пользуется большим спросом, поэтому его использование выгодно.
Метан (пропан-бутан) в сжиженном состоянии занимает в 500-600 раз меньший объем, чем в газообразном.
Классический каскадный цикл
Первый опыт строительства и ввода в эксплуатацию крупного завода по производству сжиженного природного газа принадлежал французской компании Téa в 1964 году в Арзеве (Алжир).
Этот завод на побережье Средиземного моря реализует классический каскад из трех циклов с компрессорным охлаждением пропана, этилена и метана.
При нормальном давлении мы имеем следующие отрицательные температуры кипения
- -пропан 42 °C
- -этилен 104
- -метан 161 °C.
Каждый цикл имеет свой собственный центробежный компрессор с избыточным давлением:
- 1,2 МПа для пропана
- 2 МПа для этилена
- 3,2 МПа для метана
Жидкий пропан нагревается до давления 0,04 МПа и температуры минус 35 °C, частично испаряется и затем охлаждается жидким этиленом и жидким метаном.
Охлажденный пропаном жидкий этилен также нагревают до давления 0,04 МПа и охлаждают до минус 100 °C. Предварительно охлажденный жидкий метан нагревается до давления 0,04 МПа и охлаждается до минус 155 °C путем испарения пропана и этилена.
Природный газ под давлением 3,8 МПа, тщательно очищенный от диоксида углерода и других примесей и глубоко очищенный от влаги, последовательно проходит через охладители-испарители, где испаряется весь хладагент, охлаждается до минус 35 °C пропаном, затем до минус 96 °C этиленом и до минус 151 °C метаном.
Природный газ дросселируется до 0,01 МПа, охлаждается до минус 162 °С, сжижается и подается в абсорбер, в нижнюю часть которого подается СПГ, а в верхнюю – газ в качестве топлива.
Плотность СПГ: 0,4-0,5 т/м3 , в зависимости от температуры, давления и состава:
- -содержит не менее 86% метана по объему (здесь 05-03-03-85);
- -перегазификация 1 м3 СПГ дает примерно 600 м3 природного газа при нормальных условиях (температура 0 °C и давление 0,1 МПа).
Сжижение природного газа
Цикл на одном смешанном хладагенте
Этот цикл второго поколения – значительное развитие глубокого охлаждения, позволяющее увеличить производительность технологической линии (модуля) сжиженного природного газа на 1,5 м3 газа в год.
Он был внедрен французской компанией Teal в 1971 году.
В течение одного года общая производительность трех модулей в Скикде (Алжир) составила 4,5 м3 газа в год. В 1972 году такие же модули начали работать в Ливии (смешанный хладагент) и Брунее (смешанный холодильный контур с предварительной циркуляцией пропана).
Смешанный хладагент
- молекулярный вес около 30
- представлен смесью метана – 35,6 мол.
- азот -10,6
- этан – 28,2 мол.
- пропан
- бутан
- пентан
Жидкий хладагент испаряется в межтрубном пространстве испарителя-конденсатора, а газ охлаждается и конденсируется (сжимается) в трубном пространстве аппарата, т.е. охлаждается и конденсируется.
СПГ образуется за один шаг непрерывно по всей длине теплообменной трубки. Поэтому состав хладагента должен быть таким, чтобы кривая испарения жидкого хладагента как можно ближе соответствовала кривой c-конденсации природного газа:
- природный газ с молекулярной массой 17,2
- давление 3,7 МПа
- при 35°C
- работает в конденсаторе-испарителе и переходит в жидкое состояние при температуре минус 155°C.
Затем СПГ дросселируется до давления, близкого к атмосферному, и при температуре минус 163°C передается по криогенному трубопроводу в хранилище.
Газообразный смешанный хладагент сжимается в одном компрессоре с двумя ступенями давления до 3,6 МПа, конденсируется в конденсаторах до морской воды и использует два потока для частичной конденсации природного газа и частичной конденсации смешанного хладагента.
В испарителе конденсатора природный газ имеет одну зону конденсации, а хладагент – четыре зоны испарения.
Технология СПГ: как это работает
Чтобы превратить природный газ в жидкость, его охлаждают до -160C. В результате он получается бесцветным, без запаха, нетоксичным и невоспламеняющимся, но СПГ, конечно же, должен транспортироваться в специальных контейнерах, которые поддерживают эту чрезвычайно низкую температуру. В то же время, если попытаться разлить жидкость, ничего не получится, она сразу же вернется в газообразное состояние при нормальной температуре.
Природный газ пытались сжижать с начала 20 века, но коммерчески выгодным этот процесс стал только в конце 1960-х годов. Первые крупные заводы СПГ были построены в Алжире и на Аляске, но если посмотреть на 1990 год, то список основных поставщиков и экспортеров сильно отличается от того, что мы имеем сегодня.
Как правило, завод по сжижению природного газа состоит из:
- установки предварительной очистки и установки сжижения;
- технологические линии для производства СПГ;
- резервуары для хранения;
- оборудование для загрузки танкеров;
- дополнительные услуги, связанные с обеспечением завода электроэнергией и водой для охлаждения.
Технологии сжижения для крупных заводов СПГ:
- AP-C3MR – разработана компанией Air Products & Chemicals, Inc.
- AP-X – разработана компанией Air Products & Chemicals, Inc. (APCI)
- AP-SMR (Single Mixed Refrigerant) – разработана компанией Air Products & Chemicals, Inc.
- Каскад – разработан компанией ConocoPhillips
- MFC (каскад смешанных жидкостей) – разработан компанией Linde
- PRICO (SMR) – разработан компанией Black & Veatch
- DMR (двойной смешанный хладагент)
- Liquefin – разработан компанией Air Liquide
Разница между СПГ и природным газом
Не все понимают разницу между СПГ и природным газом. Природный газ, поставляемый в наши дома, представляет собой смесь углеводородов с содержанием метана до 98%.
В отличие от природного газа, СПГ не содержит нежелательных примесей и воды, так как производится из уже подготовленного сырья.
Основным компонентом сжиженного природного газа является метан (85-95%). Остальные 5-15% составляют другие низшие алканы (этан, пропан, бутан) и, в некоторых случаях, неорганические газы (в основном азот).
СПГ имеет значительные преимущества перед другими видами энергии. Он может обеспечить краткосрочное снабжение населенных пунктов, которые не газифицированы. Кроме того, СПГ является самым чистым и безопасным из широко используемых видов топлива, что делает его перспективной альтернативой для промышленного и транспортного применения.
Процесс сжижения газа
- предварительная подготовка и сжижение газа
- технологические линии для производства СПГ
- резервуары для хранения, в том числе специальные криогенные резервуары, построенные по принципу сосудов Дьюара,
- для погрузки в танкеры (газовозы)
- снабжение завода электроэнергией и охлаждающей водой.
Существует технология, позволяющая экономить до 50 процентов энергии на сжижении, используя энергию, теряемую на газораспределительных станциях (ГРС) при дросселировании природного газа с давления в магистральном трубопроводе (4-6 МПа) до давления потребителя (0,3-1,2 МПа):
- используется как фактическая потенциальная энергия сжатого газа, так и естественное охлаждение газа после разгерметизации.
- Кроме того, экономится энергия, необходимая для нагрева газа перед его подачей потребителю.
Чистый СПГ не воспламеняется и не взрывается самопроизвольно.
На открытом воздухе при нормальной температуре СПГ переходит в газообразное состояние и быстро растворяется в воздухе.
После испарения СПГ может воспламениться при контакте с источником пламени.
Для воспламенения требуется концентрация паров в воздухе от 5% до 15%.
Если концентрация не превышает 5%, то паров недостаточно для возникновения пожара, а если превышает 15%, то в окружающей среде слишком мало кислорода.
Для использования СПГ проходит регазификацию – испарение без присутствия воздуха.
СПГ является важным источником энергии для многих стран, в том числе Японии, Франции, Бельгии, Испании и Южной Кореи.
Транспортировка СПГ– представляет собой процесс, состоящий из нескольких этапов:
- морской переход на танкере – газовозе,
- автомобильная доставка с использованием специальных транспортных средств,
- железнодорожная доставка с использованием танкеров,
- регазификация СПГ до газообразного состояния.
Основными производителями СПГ по данным 2009 года являются:
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.
По состоянию на 2021 год в России действуют четыре завода по производству СПГ.
Завод СПГ "Сахалин-2" был введен в эксплуатацию в 2009 году. Контролирующим акционером является "Газпром", владельцем – Shell с 27,5%, японские компании Mitsui и Mitsubishi с 12,5% и 10%.
В 2015 году объем производства составил 10,8 млн тонн/год, превысив проектную мощность на 1,2 млн тонн/год.
Однако из-за падения цен на мировом рынке долларовая выручка от экспорта СПГ снизилась по сравнению с 2014 годом на 13,3% до $4,5 млрд/год.
НОВАТЭК", который в январе 2018 года ввел в эксплуатацию завод СПГ на проекте "Ямал СПГ", становится крупным игроком на российском рынке СПГ.
Компания "Новатэк-Юрхаровнефтегаз" (дочернее предприятие "Новатэка") выиграла аукцион на право пользования недрами Няхартинского участка в ЯНАО.
Няхартинский участок недр необходим компании для проекта "Арктик СПГ". Это второй проект "Новатэка", ориентированный на экспорт СПГ.
В США введены в эксплуатацию пять экспортных терминалов СПГ общей мощностью 57,8 млн тонн в год.
На европейском газовом рынке СПГ из США и российский магистральный газ начали жестко конкурировать.