Jak i po co skrapla się gaz: technologia produkcji i zastosowanie gazu skroplonego

Technologie związane z wydobyciem, transportem i przetwarzaniem gazu ziemnego rozwijają się w szybkim tempie. I wielu z nas słyszy dziś skróty SPG (LPG) i SUG (LNG). Praktycznie co drugi dzień w wiadomościach w takim czy innym kontekście wspomina się o naturalnym paliwie gazowym.

Ale, zgodzi się Pan/Pani, aby mieć jasne zrozumienie tego, co się dzieje, ważne jest, aby najpierw zrozumieć, jak skrapla się gaz, po co to się robi i jakie korzyści to daje lub nie daje. A niuansów w tej kwestii jest mnóstwo.

Aby wyprodukować skroplenie węglowodorów gazowych, buduje się duże zaawansowane technologicznie zakłady. Poniżej szczegółowo przyjrzymy się: po co to wszystko jest potrzebne i jak to się odbywa.

Po co skrapla się gaz ziemny?

Z wnętrza ziemi błękitne paliwo wydobywane jest w postaci mieszaniny metanu, etanu, propanu, butanu, helu, azotu, siarkowodoru i innych gazów, a także różnych ich pochodnych.

Część z nich wykorzystuje się w przemyśle chemicznym, a część spala się w kotłach lub turbinach do wytwarzania energii cieplnej i elektrycznej. Ponadto pewna ilość wydobytego paliwa używana jest jako paliwo gazowe do silników.

Obliczenia gazowników pokazują, że jeśli błękitne paliwo trzeba dostarczyć na odległość 2500 km i więcej, to w stanie skroplonym często robi się to bardziej opłacalnie niż transportem rurociągowym

Głównym powodem skraplania gazu ziemnego jest uproszczenie jego transportu na dalekie odległości. Jeśli konsument i odwiert wydobycia paliwa gazowego znajdują się na lądzie blisko siebie, to łatwiej i korzystniej jest poprowadzić między nimi rurę. Ale w niektórych przypadkach budowa magistrali okazuje się zbyt droga i problematyczna ze względu na niuanse geograficzne. Dlatego też sięga się po różne technologie otrzymywania SPG lub SUG w postaci ciekłej.

Ekonomia i bezpieczeństwo transportu

Gdy gaz zostanie skroplony, w postaci cieczy wtłacza się go do specjalnych zbiorników do transportu morskiego, rzecznego, samochodowego i/lub kolejowego. Przy tym technologicznie skraplanie jest procesem dość kosztownym z energetycznego punktu widzenia.

W różnych zakładach zużywa się na to do 25% pierwotnej objętości paliwa. Oznacza to, że aby wytworzyć energię potrzebną technologicznie, trzeba spalić do 1 tony SPG na każde 3 tony gotowego produktu. Ale gaz ziemny jest obecnie bardzo poszukiwany, wszystko się zwraca.

W postaci skroplonej metan (propan-butan) zajmuje objętość 500–600 razy mniejszą niż w stanie gazowym.

Dopóki gaz ziemny znajduje się w stanie ciekłym, nie jest palny i jest bezpieczny pod względem wybuchowym. Dopiero po odparowaniu w trakcie regazyfikacji, otrzymana mieszanka gazowa nadaje się do spalania w kotłach i płytach kuchennych. Dlatego, jeśli LNG lub LPG są używane jako paliwo węglowodorowe, należy je koniecznie zregazyfikować.

Zastosowanie w różnych dziedzinach

Najczęściej terminy „gaz skroplony” i „skraplanie gazu” są używane w kontekście transportu węglowodorowego nośnika energii. Oznacza to, że najpierw wydobywa się niebieskie paliwo, a następnie przekształca je w LPG lub LNG. Następnie otrzymaną ciecz transportuje się, a później ponownie zamienia w stan gazowy do różnego zastosowania.

LPG (skroplony gaz węglowodorowy) w 95% i więcej składa się z mieszaniny propan-butanu, a LNG (skroplony gaz ziemny) w 85–95% z metanu. Są to podobne, a jednocześnie zasadniczo różne rodzaje paliwa.

LPG z propan-butanu jest stosowany głównie jako:

• paliwo do silników gazowych;
• paliwo do zatłaczania do zbiorników gazu w autonomicznych systemach grzewczych;
• ciecze do napełniania zapalniczek i butli gazowych o pojemności od 200 ml do 50 l.

LNG jest zwykle produkowany wyłącznie do transportu na dalekie odległości. O ile do przechowywania LPG wystarczy zbiornik wytrzymujący ciśnienie kilku atmosfer, o tyle dla skroplonego metanu potrzebne są specjalne zbiorniki kriogeniczne.

Sprzęt do przechowywania LNG charakteryzuje się wysoką technologią i zajmuje dużo miejsca. Używanie takiego paliwa w samochodach osobowych jest nieopłacalne ze względu na wysoką cenę butli. Ciężarówki na LNG w pojedynczych modelach eksperymentalnych już jeżdżą po drogach, ale w segmencie samochodów osobowych to „płynne” paliwo raczej w najbliższej przyszłości nie znajdzie szerokiego zastosowania.

Skroplony metan jako paliwo jest obecnie coraz częściej stosowany w eksploatacji:

• lokomotyw spalinowych;
• statków morskich;
• transportu rzecznego.

Oprócz zastosowania jako nośnik energii, LPG i LNG są również używane bezpośrednio w postaci ciekłej w zakładach gazowo-naftochemicznych. Wytwarza się z nich różne tworzywa sztuczne i inne materiały na bazie węglowodorów.

Technologie otrzymywania SUG i SPG

Aby przekształcić metan ze stanu gazowego w ciekły, należy go schłodzić do -163 °C. Natomiast propan-butan skrapla się już przy -40 °C. W związku z tym technologie i koszty w obu przypadkach znacznie się różnią.

Jeden litr LNG odpowiada w przybliżeniu 1,38 m³ pierwotnego gazu ziemnego (liczba ta zależy od temperatury i ciśnienia), zmniejszenie objętości wynosi około 620 razy.

Do skraplania gazu ziemnego stosuje się następujące technologie różnych firm:

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

U podstaw wszystkich z nich leżą procesy kompresji i/lub wymiany ciepła. Operacja skraplania odbywa się w zakładzie w kilku etapach, podczas których gaz jest stopniowo sprężany i schładzany do temperatury przejścia w fazę ciekłą.

Przygotowanie mieszanki gazowej

Przed rozpoczęciem skraplania surowego gazu ziemnego należy usunąć z niego wodę, hel, wodór, azot, związki siarki i inne zanieczyszczenia. Zazwyczaj stosuje się w tym celu technologię adsorpcyjną głębokiego oczyszczania mieszanki gazowej poprzez przepuszczanie jej przez sita molekularne.

Następnie odbywa się drugi etap przygotowania surowca, podczas którego usuwane są ciężkie węglowodory. W efekcie w gazie pozostają tylko etan i metan (albo propan i butan) z objętością zanieczyszczeń poniżej 5%, aby tę frakcję rozpocząć schładzać i skraplać.

Przygotowanie wstępne z usunięciem z gazu ziemnego wszystkiego niepotrzebnego wykonywane jest, aby zabezpieczyć urządzenia chłodnicze przed agresywnym działaniem wody, kwasu węglowego, związków siarki itd.

Frakcjonowanie pozwala pozbyć się szkodliwych zanieczyszczeń i wyodrębnić tylko główny gaz do późniejszego skraplania. Przy ciśnieniu 1 atm temperatura przejścia w stan ciekły dla metanu wynosi -163 °C, dla etanu -88 °C, dla propanu -42 °C, a dla butanu -0,5 °C.

Właśnie te różnice temperatur wyjaśniają powód, dla którego rozdziela się na frakcje, a dopiero potem skrapla gaz dostarczany do zakładu. Nie istnieje jedna technologia skraplania dla wszystkich typów gazowych węglowodorów. Dla każdego z nich trzeba budować i stosować własną linię technologiczną.

Główny proces skraplania

Podstawą przekształcania gazu w stan ciekły jest cykl chłodniczy, podczas którego za pomocą pewnego czynnika chłodniczego ciepło jest przenoszone z ośrodka o niskiej temperaturze do ośrodka o wyższej temperaturze. Proces ten jest wieloetapowy i wymaga obecności potężnych kompresorów do rozprężania/sprężania czynnika chłodniczego oraz wymienników ciepła.

Technologie kompresji są zaawansowane, energochłonne i kosztowne, jednak w jednym cyklu pozwalają sprężyć gaz od razu 5–12 razy

Jako czynniki chłodnicze na różnych etapach skraplania stosuje się:

• propan;
• metan;
• etan;
• azot;
• woda (morska i oczyszczona);
• powietrze.

Na przykład do wstępnego schładzania gazu ziemnego w zakładzie «Jamal-SPG» Nowateka wykorzystuje się chłodne arktyczne powietrze, które pozwala obniżyć temperaturę surowca przy minimalnych kosztach od razu do +10 °C. A w upalne miesiące letnie zamiast niego przewidziano wykorzystanie wody morskiej z Oceanu Arktycznego, która niezależnie od pory roku na głębokości ma stałe 3–4 °C.

Jednocześnie jako końcowy czynnik chłodniczy na Jamale stosuje się azot, pozyskiwany bezpośrednio na miejscu z powietrza. W rezultacie Arktyka dostarcza wszystko, co niezbędne do produkcji LNG – od początkowego gazu ziemnego po czynniki robocze używane w procesie skraplania.

Propan skrapla się według schematu analogicznego do metanu. Wymaga jednak znacznie mniej niskich temperatur chłodzenia – minus 42 °C w porównaniu z minus 163 °C. Dlatego skraplanie gazu do gazgolderów jest wielokrotnie tańsze, jednak sam otrzymywany propan-butanowy LPG jest mniej poszukiwany na rynku.

Transport i magazynowanie

Praktycznie cały wolumen LNG jest transportowany dużymi morskimi tankowcami-gazowcami z jednego brzegu na drugi. Transport lądowy jest ograniczony koniecznością utrzymywania temperatury „płynnego błękitnego paliwa” na poziomie około -160 °C, w przeciwnym razie metan zaczyna przechodzić w stan gazowy i staje się wybuchowy.

Do transportu LPG wykorzystuje się butle o pojemności 5–50 litrów z ciśnieniem wewnętrznym do 1,5–2 MPa oraz większe zbiorniki cysterny, przeznaczone na ciśnienie 5–17 MPa

Ciśnienie w zbiorniku LNG jest bliskie atmosferycznemu. Jeśli jednak temperatura ciekłego metanu wzrośnie powyżej -160 °C, zacznie on zamieniać się z cieczy w gaz. W rezultacie ciśnienie w zbiorniku zacznie wzrastać, co stanowi poważne zagrożenie. Dlatego tankowce do transportu LNG wyposaża się w instalacje utrzymujące niskie temperatury oraz grubą warstwę izolacji termicznej.

LPG jest regazyfikowany do gazu bezpośrednio w gazgolderze. Regazyfikacja LNG odbywa się w specjalnych instalacjach przemysłowych bez dostępu tlenu. Fizycznie ciekły metan w dodatnich temperaturach stopniowo zamienia się w gaz. Jeśli jednak będzie się to odbywać bezpośrednio na powietrzu, poza specjalnymi warunkami, proces ten doprowadzi do wybuchu.

Po tym, jak gaz ziemny w postaci LNG zostanie skroplony w zakładzie, jest transportowany, a następnie ponownie w zakładzie (tym razem regazyfikacyjnym) przekształcany z powrotem w stan gazowy do dalszego wykorzystania.

Perspektywy skroplonego wodoru

Oprócz bezpośredniego skraplania i wykorzystania w takiej postaci, z gazu ziemnego można również uzyskać inny nośnik energii – wodór. Metan to CH₄, propan C₃H₈, a butan C₄H₁₀.

Składnik wodorowy jest obecny we wszystkich tych paliwach kopalnych, wystarczy go tylko wyodrębnić.

Główne zalety wodoru to ekologiczność i szerokie występowanie w przyrodzie, jednak wysoka cena jego skraplania oraz straty spowodowane ciągłym odparowaniem niweczą te plusy.

Aby przekształcić wodór ze stanu gazowego w ciekły, należy go schłodzić do -253 °C. W tym celu stosuje się wielostopniowe układy chłodzenia oraz instalacje „sprężania/rozprężania”. Na razie takie technologie są zbyt drogie, ale trwają prace nad ich obniżeniem kosztów.

Polecamy również przeczytać inny nasz artykuł, w którym szczegółowo opisaliśmy, jak zrobić generator wodoru do domu własnymi rękami. Więcej – przejdź pod linkiem.

Ponadto, w przeciwieństwie do LPG i LNG, skroplony wodór jest znacznie bardziej wybuchowy. Nawet najmniejszy jego wyciek w połączeniu z tlenem tworzy mieszankę gazowo-powietrzną, która zapala się od najmniejszej iskry. Przechowywanie ciekłego wodoru możliwe jest tylko w specjalnych kontenerach kriogenicznych. Wad paliwa wodorowego jest na razie zbyt wiele.

Podsumowanie i przydatny film na ten temat

Jak produkuje się gaz skroplony i po co się go skrapla:

Wszystko o gazach skroplonych:

Istnieje kilka technologii skraplania gazów. Dla metanu są one swoje, a dla propanu-butanu swoje. Przy tym LPG (gaz płynny) jest tańszy w uzyskaniu, a transport/przechowywanie łatwiejsze i bezpieczniejsze. Uzyskanie metanowego LNG jest bardziej kosztownym i skomplikowanym procesem. Dodatkowo jego regazyfikacja wymaga specjalistycznego sprzętu. Metan jest dziś bardziej poszukiwany na rynku, dlatego skrapla się go w znacznie większych ilościach.

Czy mają Państwo pytania uzupełniające lub własną opinię ekspercką na temat skraplania gazu? Być może mają Państwo coś do dodania do powyższego. Proszę śmiało pytać i/lub komentować artykuł w bloku poniżej.