Kā un kāpēc sašķidrina gāzi: ražošanas tehnoloģija un sašķidrinātās gāzes izmantošanas joma

Ar dabasgāzes ieguvi, transportēšanu un pārstrādi saistītās tehnoloģijas attīstās straujā tempā. Un daudziem šodien ir dzirdēti saīsinājumi SPG (LPG) un SUG (LNG). Gandrīz katru dienu ziņās vienā vai otrā kontekstā tiek pieminēta dabasgāzes degviela.

Bet, piekrītiet, lai būtu skaidra izpratne par notiekošo, ir svarīgi sākotnēji saprast, kā gāze tiek sašķidrināta, kāpēc tas tiek darīts un kādu labumu tas dod vai nedod. Un nianšu šajā jautājumā ir daudz.

Lai ražotu gāzveida ogļūdeņražu sašķidrināšanu, tiek būvētas lielas augsto tehnoloģiju rūpnīcas. Tālāk mēs rūpīgi izpratīsim: kam tas viss ir nepieciešams un kā notiek.

Kāpēc sašķidrina dabasgāzi?

No zemes dzīlēm zilā degviela tiek iegūta kā maisījums no metāna, etāna, propāna, butāna, hēlija, slāpekļa, sērūdeņraža un citām gāzēm, kā arī dažādiem to atvasinājumiem.

Daļa no tām tiek izmantota ķīmiskajā rūpniecībā, bet daļa tiek dedzināta katlos vai turbīnās siltumenerģijas un elektroenerģijas ražošanai. Plus daļa iegūtā tiek izmantota kā gāzmotora degviela.

Gāzes speciālistu aprēķini rāda, ka, ja zilā degviela ir jāpiegādā 2500 km un lielākā attālumā, tad sašķidrinātā veidā to bieži vien ir izdevīgāk darīt, nevis cauruļvada veidā.

Galvenais iemesls dabasgāzes sašķidrināšanai ir tās transportēšanas vienkāršošana lielos attālumos. Ja patērētājs un gāzes degvielas ieguves aka atrodas uz sauszemes netālu viens no otra, tad ir vienkāršāk un izdevīgāk starp tām novilkt cauruli. Bet atsevišķos gadījumos maģistrāles būvēšana izrādās pārāk dārga un problemātiska ģeogrāfisku nianšu dēļ. Tāpēc tiek ķerties pie dažādām tehnoloģijām SPG vai SUG iegūšanai šķidrā veidā.

Transportēšanas ekonomika un drošība

Pēc tam, kad gāze ir sašķidrināta, tā jau šķidruma veidā tiek iesūknēta īpašās tvertnēs transportēšanai pa jūru, upēm, autotransportu un/vai dzelzceļu. Tajā pašā laikā tehnoloģiski sašķidrināšana ir enerģētiski diezgan dārgs process.

Dažādās rūpnīcās tam tiek iztērēti līdz 25% no sākotnējā degvielas apjoma. Proti, lai saražotu tehnoloģijai nepieciešamo enerģiju, ir jāsadedzina līdz 1 tonnai SPG uz katrām tā trim tonnām gatavā veidā. Bet dabasgāze šobrīd ir ļoti pieprasīta, viss atmaksājas.

Sašķidrinātā veidā metāns (propāns-butāns) aizņem 500–600 reižu mazāku tilpumu nekā gāzveida stāvoklī

Kamēr dabasgāze atrodas šķidruma stāvoklī, tā nav degtspējīga un ir sprādziendroša. Tikai pēc iztvaikošanas regazifikācijas procesā, iegūtais gāzes maisījums kļūst piemērots sadedzināšanai katlos un plītīs. Tāpēc, ja LNG vai LPG tiek izmantoti kā ogļūdeņražu degviela, tie obligāti ir jāregazificē.

Izmantošana dažādās jomās

Visbiežāk termini «sašķidrinātā gāze» un «gāzes sašķidrināšana» tiek minēti ogļūdeņražu enerģijas nesēja pārvadāšanas kontekstā. Proti, vispirms notiek zilās degvielas ieguve, un pēc tam tās pārveidošana LPG vai LNG. Tālāk iegūto šķidrumu pārvadā un pēc tam atkal pārvērš gāzveida stāvoklī vienam vai otram pielietojumam.

LPG (sašķidrināta ogļūdeņražu gāze) 95% un vairāk sastāv no propāna-butāna maisījuma, bet LNG (sašķidrināta dabasgāze) 85–95% no metāna. Tie ir līdzīgi un vienlaikus kardināli atšķirīgi degvielas veidi.

LPG no propāna-butāna galvenokārt izmanto kā:

• gāzmotoru degviela;
• degviela iesmidzināšanai autonomu apkures sistēmu gāzes tvertnēs;
• šķidrumi šķiltavu un gāzes balonu uzpildei ar tilpumu no 200 ml līdz 50 l.

LNG parasti ražo tikai tālu pārvadājumu veikšanai. Ja LPG uzglabāšanai pietiek ar tvertni, kas spēj izturēt vairāku atmosfēru spiedienu, tad sašķidrinātam metānam ir nepieciešamas īpašas kriogēnās tvertnes.

LNG uzglabāšanas iekārtas izceļas ar augstu tehnoloģiskumu un aizņem daudz vietas. Izmantot šādu degvielu vieglajos automobiļos nav izdevīgi, jo baloni ir dārgi. Kravas automašīnas ar LNG atsevišķu eksperimentālu modeļu veidā jau brauc pa ceļiem, bet vieglo automašīnu segmentā šī «šķidrā» degviela diez vai tuvākajā nākotnē atradīs plašu pielietojumu.

Sašķidrināts metāns kā degviela tagad arvien biežāk tiek izmantots ekspluatācijā:

• dzelzceļa lokomotīves;
• jūras kuģi;
• upju transports.

Papildus izmantošanai kā enerģijas nesējiem, LPG un LNG tiek izmantoti arī tieši šķidrā veidā gāzes un naftas ķīmijas rūpnīcās. No tiem ražo dažādas plastmasas un citus materiālus uz ogļūdeņražu bāzes.

SUG un SPG iegūšanas tehnoloģijas

Lai pārveidotu metānu no gāzveida stāvokļa šķidrā, tas jāatdzesē līdz -163 °C. Savukārt propāns-butāns sašķidrinās jau pie -40 °C. Attiecīgi tehnoloģijas un izmaksas abos gadījumos stipri atšķiras.

Viens litrs LNG ir aptuveni vienāds ar 1,38 kubikmetriem sākotnējās dabasgāzes (šis skaitlis ir atkarīgs no temperatūras un spiediena), tilpuma samazinājums ir aptuveni 620 reizes

Dabasgāzes sašķidrināšanai tiek izmantotas šādas dažādu firmu tehnoloģijas:

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

To pamatā ir saspiešanas un/vai siltuma apmaiņas procesi. Sašķidrināšanas darbība rūpnīcā notiek vairākos posmos, kuru laikā gāze pakāpeniski tiek saspiesta un atdzesēta līdz temperatūrai, kurā tā pāriet šķidrā fāzē.

Gāzes maisījuma sagatavošana

Pirms sākt sašķidrināt jēlu dabasgāzi, no tās ir jāizņem ūdens, hēlijs, ūdeņradis, slāpeklis, sēra savienojumi un citi piemaisījumi. Šim nolūkam parasti izmanto adsorbcijas tehnoloģiju dziļai gāzu maisījuma attīrīšanai, izlaižot to caur molekulārajiem sietiem.

Pēc tam notiek otrais izejvielu sagatavošanas posms, kura laikā tiek noņemti smagie ogļūdeņraži. Rezultātā gāzē paliek tikai etāns un metāns (vai propāns un butāns) ar piemaisījumu apjomu mazāku par 5%, lai šo frakciju jau sāktu atdzesēt un sašķidrināt.

Primārā sagatavošana ar nevajadzīgā izņemšanu no dabasgāzes tiek veikta, lai aizsargātu dzesēšanas iekārtas no ūdens, ogļskābās gāzes, sēra savienojumu u.c. agresīvās iedarbības.

Frakcionēšana ļauj atbrīvoties no kaitīgiem piemaisījumiem un izdalīt tikai pamata gāzi turpmākai sašķidrināšanai. Pie spiediena 1 atm metāna pārejas temperatūra šķidrā stāvoklī ir -163 °C, etānam -88 °C, propānam -42 °C, bet butānam -0,5 °C.

Tieši šīs temperatūras atšķirības izskaidro iemeslu, kāpēc sadala frakcijās un tikai pēc tam sašķidrina gāzi, kas nonāk rūpnīcā. Vienotas sašķidrināšanas tehnoloģijas visiem gāzveida ogļūdeņražu savienojumu veidiem nav. Katram no tiem ir jāizbūvē un jāpielieto sava tehnoloģiskā līnija.

Galvenais sašķidrināšanas process

Pamats gāzes pārvēršanai šķidrā stāvoklī ir dzesēšanas cikls, kura laikā ar vienu vai otru dzesētāju siltums tiek pārnests no zemas temperatūras vides uz augstākas temperatūras vidi. Šis process ir daudzpakāpju un prasa jaudīgu kompresoru esamību dzesēšanas līdzekļa izplešanai/saspiešanai un siltummaiņus.

Saspiešanas tehnoloģijas ir augsttehnoloģiskas, energoietilpīgas un izmaksu ziņā dārgas, taču viena cikla laikā tās ļauj gāzi saspiest uzreiz 5–12 reizes.

Kā dzesētājs dažādos sašķidrināšanas posmos tiek izmantots:

• propāns;
• metāns;
• etāns;
• slāpeklis;
• ūdens (jūras un attīrīts);
• gaiss.

Piemēram, primārajai dabasgāzes dzesēšanai uzņēmumā 'Jamal-SPG' (Novatek) tiek izmantots vēss arktiskais gaiss, kas ļauj samazināt izejvielu temperatūru ar minimālām izmaksām uzreiz līdz +10 °C. Savukārt karstajos vasaras mēnešos tā vietā ir paredzēta jūras ūdens izmantošana no Ziemeļu Ledus okeāna, kam neatkarīgi no gadalaika dziļumā ir nemainīgi 3–4 °C.

Turklāt kā galīgo dzesēšanas līdzekli Jamalā izmanto slāpekli, ko iegūst tieši uz vietas no gaisa. Rezultātā Arktika sniedz visu nepieciešamo sašķidrinātās dabasgāzes (SPG) iegūšanai – no izejas dabasgāzes līdz sašķidrināšanas procesā izmantotajiem darba aģentiem.

Propāns tiek sašķidrināts pēc līdzīgas metānam shēmas. Tikai tam nepieciešamas daudz mazāk zemas dzesēšanas temperatūras – mīnus 42 °C pret mīnus 163 °C. Tāpēc gāzes sašķidrināšana gāzes tvertnēm ir vairākas reizes lētāka, taču pats iegūtais propāna-butāna sašķidrinātā naftas gāze (SNG) ir mazāk pieprasīts tirgū.

Transportēšana un uzglabāšana

Gandrīz viss SPG apjoms tiek pārvadāts ar lielgabarīta jūras gāzvedējiem (tankkuģiem) no viena krasta uz otru. Transportēšana pa sauszemi ir ierobežota, jo nepieciešams uzturēt "šķidrās zilās degvielas" temperatūru aptuveni -160 °C, pretējā gadījumā metāns sāk pāriet gāzveida stāvoklī un kļūst sprādzienbīstams.

SNG pārvadāšanai izmanto 5–50 litru balonus ar iekšējo spiedienu līdz 1,5–2 MPa un lielākas cisternas, kas paredzētas spiedienam 5–17 MPa

Spiediens SPG tvertnē ir tuvs atmosfēras spiedienam. Tomēr, ja šķidrā metāna temperatūra paaugstinās virs -160 °C, tas sāks pārveidoties no šķidruma gāzē. Rezultātā spiediens tvertnē sāks palielināties, kas rada nopietnas briesmas. Tāpēc SPG pārvadāšanas tankkuģi ir aprīkoti ar zemas temperatūras uzturēšanas iekārtām un jaudīgu siltumizolācijas slāni.

SNG tiek reģazificēts gāzē tieši gāzes tvertnē. Savukārt SPG reģazifikācija tiek veikta īpašās rūpnieciskās iekārtās bez skābekļa piekļuves. Fizikas ziņā šķidrais metāns pie pozitīvas temperatūras pakāpeniski pārvēršas gāzē. Tomēr, ja tas notiks tieši gaisā bez īpašiem apstākļiem, šāds process izraisīs sprādzienu.

Pēc tam, kad dabasgāze SPG veidā tiek sašķidrināta rūpnīcā, to pārvadā, un pēc tam atkal rūpnīcā (tikai reģazifikācijas) pārvērš atpakaļ gāzveida stāvoklī tālākai izmantošanai.

Sašķidrinātā ūdeņraža perspektīvas

Papildus tiešai sašķidrināšanai un izmantošanai šādā veidā no dabasgāzes var iegūt vēl vienu enerģijas nesēju – ūdeņradi. Metāns ir CH₄, propāns C₃H₈, bet butāns C₄H₁₀.

Ūdeņraža sastāvdaļa ir visos šajos fosilajos kurināmajos, tikai tā ir jāizdala.

Ūdeņraža galvenās priekšrocības ir videi draudzīgums un plaša izplatība dabā, tomēr tā sašķidrināšanas augstā cena un zudumi pastāvīgas iztvaikošanas dēļ praktiski anulē šos plusus.

Lai ūdeņradi no gāzveida stāvokļa pārvērstu šķidrumā, tas ir jāatdzesē līdz -253 °C. Šim nolūkam izmanto daudzpakāpju dzesēšanas sistēmas un "saspiešanas/izplešanās" iekārtas. Pagaidām šādas tehnoloģijas ir pārāk dārgas, taču tiek strādāts pie to lētināšanas.

Iesakām arī izlasīt citu mūsu rakstu, kurā mēs detalizēti aprakstījām, kā izgatavot ūdeņraža ģeneratoru mājās ar savām rokām. Sīkāk – pārejiet pa saiti.

Arī atšķirībā no LPG un LNG, sašķidrinātais ūdeņradis ir daudz sprādzienbīstamāks. Mazākā tā noplūde, savienojoties ar skābekli, rada gāzes-gaisa maisījumu, kas aizdegas no mazākās dzirksteles. Savukārt šķidrā ūdeņraža uzglabāšana ir iespējama tikai īpašos kriogēnos konteineros. Ūdeņraža degvielai pagaidām ir pārāk daudz trūkumu.

Secinājumi un noderīgs video par tēmu

Kā ražo sašķidrināto gāzi un kāpēc to sašķidrina:

Viss par sašķidrinātām gāzēm:

Gāzu sašķidrināšanas tehnoloģijas ir vairākas. Metānam tās ir savas, bet propāna-butānam - savas. Turklāt LPG iegūt ir lētāk, bet transportēt/uzglabāt ir vienkāršāk un drošāk. Metāna LNG iegūšana ir dārgāks un sarežģītāks process. Turklāt tā regazifikācija prasa specializētu aprīkojumu. Tomēr metāns šodien tirgū ir pieprasītāks, tāpēc to sašķidrina daudz lielākos apjomos.

Vai jums ir precizējoši jautājumi vai savs ekspertu viedoklis par gāzes sašķidrināšanu? Iespējams, jums ir ko piebilst iepriekš minētajam. Nevilcinieties, jautājiet un/vai komentējiet rakstu zemāk esošajā blokā.