Kaip ir kodėl suskystinamos dujos: gamybos technologija ir suskystintų dujų naudojimo sritis

Su gamtinių dujų gavyba, transportavimu ir perdirbimu susijusios technologijos sparčiai vystosi. Ir daugeliui šiandien yra girdėtos santrumpos SGD (LNG) ir SND (LPG). Beveik kas antrą dieną naujienose vienu ar kitu kontekstu paminimas gamtinių dujų kuras.

Bet, sutikite, norint aiškiai suprasti, kas vyksta, svarbu iš pradžių išsiaiškinti, kaip dujos suskystinamos, kodėl tai daroma ir kokią naudą tai duoda arba neduoda. O niuansų šiuo klausimu yra daugybė.

Kad būtų galima suskystinti dujinius angliavandenilius, statomos didelės aukštųjų technologijų gamyklos. Toliau mes atidžiai išsiaiškinsime: kam visa to reikia ir kaip tai vyksta.

Kam suskystinamos gamtinės dujos?

Iš žemės gelmių mėlynasis kuras išgaunamas kaip metano, etano, propano, butano, helio, azoto, vandenilio sulfido ir kitų dujų bei įvairių jų darinių mišinys.

Dalis jų naudojama chemijos pramonėje, o dalis sudeginama katiluose ar turbinose šiluminei ir elektros energijai gaminti. Be to, dalis išgauto kuro naudojama kaip dujinis variklių kuras.

Dujininkų skaičiavimai rodo, kad jei mėlynąjį kurą reikia pristatyti 2500 km ar didesniu atstumu, tai suskystintu pavidalu tai dažnai yra naudingiau nei vamzdynu.

Pagrindinė gamtinių dujų suskystinimo priežastis – jų transportavimo dideliais atstumais supaprastinimas. Jei vartotojas ir dujinio kuro gavybos gręžinys yra netoli vienas kito sausumoje, paprasčiau ir naudingiau tarp jų nutiesti vamzdį. Tačiau kai kuriais atvejais magistralės statyba yra per brangi ir sudėtinga dėl geografinių niuansų. Todėl ir imamasi įvairių technologijų, kaip gauti SGD ar SND skystu pavidalu.

Transportavimo ekonomika ir saugumas

Po to, kai dujos suskystinamos, jos jau skystu pavidalu pumpuojamos į specialius konteinerius transportuoti jūra, upe, keliais ir/arba geležinkeliu. Be to, technologiškai suskystinimas yra gana daug energijos reikalaujantis procesas.

Skirtingose gamyklose tam išleidžiama iki 25% pradinės kuro apimties. Tai reiškia, kad norint pagaminti technologijai reikalingą energiją, reikia sudeginti iki 1 tonos SGD kiekvienoms trims jo tonoms paruošto pavidalo. Tačiau gamtinės dujos šiuo metu yra labai paklausios, viskas atsiperka.

Suskystintas metanas (propanas-butanas) užima 500–600 kartų mažesnį tūrį nei dujinėje būsenoje

Kol gamtinės dujos yra skystos, jos nėra degios ir sprogimui saugios. Tik po išgaravimo regazifikacijos metu gautas dujų mišinys tinkamas deginti katiluose ir viryklėse. Todėl, jei SGD arba SND naudojamos kaip angliavandenilių kuras, jas būtina regazifikuoti.

Naudojimas įvairiose srityse

Dažniausiai terminai „suskystintos dujos“ ir „dujų suskystinimas“ minimi angliavandenilių energijos nešiklio transportavimo kontekste. Tai yra, pirmiausiai išgaunamas mėlynasis kuras, o vėliau jis paverčiamas į SND arba SGD. Toliau gautas skystis gabenamas ir po to vėl grąžinamas į dujinę būseną tam tikram naudojimui.

SND (suskystintos naftos dujos) 95% ir daugiau sudaro propano-butano mišinys, o SGD (suskystintos gamtinės dujos) 85–95% sudaro metanas. Tai panašūs ir kartu kardinaliai skirtingi kuro rūšys.

SND iš propano-butano dažniausiai naudojama kaip:

• dujinio variklių kuro;
• kuro autonominio šildymo sistemų dujų rezervuarams;
• skysčių, skirtų pripildyti žiebtuvėlius ir dujų balionus, kurių talpa nuo 200 ml iki 50 l;

SGD paprastai gaminama tik transportavimui dideliais atstumais. Jei SND laikyti pakanka talpyklos, galinčios atlaikyti kelių atmosferų slėgį, tai suskystintam metanui reikalingi specialūs kriogeniniai rezervuarai.

Įranga, skirta SGD laikyti, pasižymi aukštu technologiškumu ir užima daug vietos. Naudoti tokį kurą lengvuosiuose automobiliuose neapsimoka dėl brangių balionų. SGD sunkvežimiai pavieniais eksperimentiniais modeliais jau važinėja keliais, tačiau lengvųjų automobilių segmente šis „skystas“ kuras vargu ar artimiausiu metu ras platų pritaikymą.

Suskystintas metanas kaip kuras dabar vis dažniau naudojamas eksploatuojant:

• geležinkelio dyzelinių lokomotyvų;
• jūrinių laivų;
• upių transporto.

Be naudojimo kaip energijos nešiklio, LPG ir LNG taip pat naudojamos tiesiogiai skystu pavidalu dujų ir naftos chemijos gamyklose. Iš jų gaminamos įvairios plastmasės ir kitos angliavandenilių pagrindu pagamintos medžiagos.

SND ir SGD gavimo technologijos

Norint paversti metaną iš dujinės būsenos į skystą, jį reikia atšaldyti iki -163 °C. O propanas-butanas suskystėja jau esant -40 °C. Atitinkamai technologijos ir sąnaudos abiem atvejais labai skiriasi.

Vienas litras SGD yra maždaug lygus 1,38 kub. m pirminių gamtinių dujų (šis skaičius priklauso nuo temperatūros ir slėgio), tūrio sumažinimas – maždaug 620 kartų.

Gamtinių dujų suskystinimui naudojamos šios skirtingų firmų technologijos:

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

Visų jų pagrindą sudaro kompresijos ir (arba) šilumos mainų procesai. Suskystinimo operacija gamykloje vyksta keliais etapais, kurių metu dujos palaipsniui suspaudžiamos ir atšaldomos iki temperatūros, kai jos pereina į skystąją fazę.

Dujų mišinio paruošimas

Prieš pradedant skystinti žalias gamtines dujas, iš jų reikia pašalinti vandenį, helį, vandenilį, azotą, sieros junginius ir kitas priemaišas. Tam dažniausiai taikoma adsorbcinė giluminio dujų mišinio valymo technologija, leidžiant jį per molekulinius sietus.

Tada vyksta antrasis žaliavos paruošimo etapas, kurio metu pašalinami sunkūs angliavandeniliai. Galiausiai dujose lieka tik etanas ir metanas (arba propanas ir butanas), kurių priemaišų kiekis neviršija 5 %, kad šią frakciją būtų galima pradėti aušinti ir skystinti.

Pirminis paruošimas, kai iš gamtinių dujų pašalinami visi nereikalingi komponentai, atliekamas siekiant apsaugoti šaldymo įrangą nuo agresyvaus vandens, anglies rūgšties, sieros junginių ir pan. poveikio.

Frakcionavimas leidžia atsikratyti kenksmingų priemaišų ir išskirti tik pagrindines dujas, skirtas vėlesniam suskystinimui. Esant 1 atm slėgiui, metano perėjimo į skystą būseną temperatūra yra –163 °C, etano – –88 °C, propano – –42 °C, o butano – –0,5 °C.

Būtent šie temperatūrų skirtumai paaiškina, kodėl dujos, patenkančios į gamyklą, pirmiausia skirstomos į frakcijas ir tik po to skystinamos. Vieningos suskystinimo technologijos visų tipų dujiniams angliavandenilių junginiams nėra. Kiekvienam iš jų tenka sukurti ir taikyti atskirą technologinę liniją.

Pagrindinis suskystinimo procesas

Dujų pervedimo į skystą būseną pagrindas yra šaldymo ciklas, kurio metu vienu ar kitu šaltnešiu šiluma pernešama iš žemos temperatūros aplinkos į aukštesnės temperatūros aplinką. Šis procesas yra daugiapakopis ir reikalauja galingų kompresorių šilumnešio plėtimui / suspaudimui bei šilumokaičių.

Kompresijos technologijos yra aukštųjų technologijų, daug energijos sąnaudų ir brangios, tačiau per vieną ciklą jos leidžia suspausti dujas net 5–12 kartų.

Skirtinguose suskystinimo etapuose kaip šaltnešiai naudojami:

• propanas;
• metanas;
• etanas;
• azotas;
• vanduo (jūros ir išvalytas);
• oras.

Pavyzdžiui, pirminiam gamtinių dujų aušinimui „Novateko“ gamykloje „Jamalas-SPG“ naudojamas vėsus arktinis oras, leidžiantis sumažinti žaliavos temperatūrą minimaliomis sąnaudomis iki +10 °C. O karštais vasaros mėnesiais vietoj jo numatyta naudoti jūros vandenį iš Šiaurės Ledyno vandenyno, kuris nepriklausomai nuo metų laiko dideliame gylyje yra pastovios 3–4 °C temperatūros.

Be to, kaip galutinis aušinimo skystis Jamale naudojamas azotas, gaunamas tiesiog vietoje iš oro. Dėl to Arktika suteikia viską, ko reikia SGD gauti – nuo pirminės gamtinės dujos iki suskystinimo procese naudojamų darbinių agentų.

Propanas suskystinamas pagal analogišką metanui schemą. Tik aušinimo temperatūros jam reikia daug mažiau žemos – minus 42 °C, palyginti su minus 163 °C. Todėl dujų suskystinimas dujų talpykloms kainuoja kur kas pigiau, tačiau pats gaunamas propano-butano SND yra mažiau paklausus rinkoje.

Transportavimas ir saugojimas

Beveik visas SGD kiekis gabenamas didelių gabaritų jūriniais tanklaiviais-dujovežiais iš vieno kranto į kitą. Transportavimas sausuma ribojamas būtinybės palaikyti «skystojo mėlynojo kuro» temperatūrą apie -160 °C, priešingu atveju metanas pradeda virsti dujine būsena ir tampa sprogstamu.

SND vežimui naudojami 5–50 litrų balionai su vidiniu slėgiu iki 1,5–2 MPa ir didesnės cisternos-talpos, skirtos 5–17 MPa slėgiui.

Slėgis talpoje su SGD yra artimas atmosferos slėgiui. Tačiau jeigu skystojo metano temperatūra pakyla aukščiau -160 °C, jis pradeda virsti iš skysčio į dujas. Dėl to slėgis talpoje pradeda didėti, o tai kelia rimtą pavojų. Todėl SGD vežimo tanklaiviai įrengiami su žemos temperatūros palaikymo įrenginiais ir galingu šilumos izoliacijos sluoksniu.

SND regazifikavimas į dujas vyksta tiesiog dujų talpykloje. O SGD regazifikavimas atliekamas specialiose pramoninėse įrangose be deguonies prieigos. Pagal fiziką skystasis metanas esant teigiamai temperatūrai palaipsniui virsta dujomis. Tačiau jei tai vyktų tiesiog ore be specialių sąlygų, toks procesas sukeltų sprogimą.

Po to, kai gamtinės dujos SGD pavidalu suskystinamos gamykloje, jos gabenamos, o paskui vėl gamykloje (šįkart regazifikacijos) paverčiamos atgal į dujinę būseną tolesniam naudojimui.

Suskystinto vandenilio perspektyvos

Be tiesioginio suskystinimo ir naudojimo tokia forma, iš gamtinių dujų taip pat galima gauti dar vieną energijos nešiklį – vandenilį. Metanas yra CH₄, propanas C₃H₈, o butanas C₄H₁₀.

Vandenilio komponentas yra visuose šiuose iškastiniuose kuruose, tereikia jį išskirti.

Pagrindiniai vandenilio privalumai – ekologiškumas ir platus paplitimas gamtoje, tačiau didelė jo suskystinimo kaina ir nuolatinio garavimo nuostoliai šiuos privalumus beveik panaikina.

Kad vandenilį iš dujinės būsenos paverstų skysčiu, jį reikia atvėsinti iki -253 °C. Tam naudojamos daugiapakopės aušinimo sistemos ir «suspaudimo/plėtimosi» įrenginiai. Kol kas tokios technologijos yra per brangios, tačiau dirbama siekiant jas atpiginti.

Taip pat rekomenduojame perskaityti kitą mūsų straipsnį, kuriame išsamiai papasakojome, kaip savo rankomis pasigaminti vandenilio generatorių namams. Išsamiau – pereikite per nuorodą.

Be to, skirtingai nei LPG ir LNG, suskystintas vandenilis yra daug sprogsenis. Menkiausias jo nutekėjimas, susijungęs su deguonimi, sudaro dujų ir oro mišinį, kuris užsidega nuo menkiausios kibirkšties. O skystą vandenilį galima laikyti tik specialiuose kriogeniniuose konteineriuose. Vandenilio kuro trūkumų kol kas per daug.

Išvados ir naudingas vaizdo įrašas šia tema

Kaip gaminamos suskystintos dujos ir kodėl jos skystinamos:

Viskas apie suskystintas dujas:

Egzistuoja kelios dujų skystinimo technologijos. Metanui jos yra savos, o propanui-butanui – savos. Be to, SND gauti yra pigiau, o transportuoti/laikyti paprasčiau ir saugiau. Metano SGD gavimas yra brangesnis ir sudėtingesnis procesas. Be to, jo regazifikacijai reikalinga specializuota įranga. Nepaisant to, metanas šiandien rinkoje yra paklausesnis, todėl jo skystinama daug didesniais kiekiais.

Turite papildomų klausimų ar savo ekspertinę nuomonę dujų skystinimo tema? Galbūt turite ką pridurti prie to, kas išdėstyta aukščiau. Nedvejokite, klauskite ir/arba komentuokite straipsnį žemiau esančiame bloke.