Πώς και γιατί υγροποιείται το αέριο: τεχνολογία παραγωγής και πεδίο χρήσης υγροποιημένου αερίου

Οι τεχνολογίες που σχετίζονται με την εξόρυξη, τη μεταφορά και την επεξεργασία του φυσικού αερίου αναπτύσσονται με ταχύτατους ρυθμούς. Και πολλοί σήμερα γνωρίζουν τα αρκτικόλεξα ΥΦΑ (LPG) και ΥΓΑ (LNG). Σχεδόν κάθε δεύτερη μέρα, στις ειδήσεις, το φυσικό αέριο αναφέρεται σε διάφορα συμφραζόμενα.

Αλλά, συμφωνήστε, για να έχουμε σαφή κατανόηση του τι συμβαίνει, είναι σημαντικό να κατανοήσουμε αρχικά πώς υγροποιείται το αέριο, γιατί γίνεται αυτό και ποιο όφελος προσφέρει ή δεν προσφέρει. Υπάρχουν πολλές λεπτομέρειες σε αυτό το θέμα.

Για την παραγωγή υγροποίησης αέριων υδρογονανθράκων, κατασκευάζονται μεγάλα υψηλής τεχνολογίας εργοστάσια. Στη συνέχεια, θα αναλύσουμε προσεκτικά: για ποιο λόγο χρειάζονται όλα αυτά και πώς γίνονται.

Γιατί υγροποιείται το φυσικό αέριο;

Από τα βάθη της γης, το γαλάζιο καύσιμο εξορύσσεται ως μείγμα μεθανίου, αιθανίου, προπανίου, βουτανίου, ηλίου, αζώτου, υδρόθειου και άλλων αερίων, καθώς και διαφόρων παραγώγων τους.

Μέρος αυτών χρησιμοποιείται στη χημική βιομηχανία, ενώ μέρος καίγεται σε λέβητες ή στροβίλους για την παραγωγή θερμικής και ηλεκτρικής ενέργειας. Επιπλέον, ένα μέρος της παραγωγής χρησιμοποιείται ως καύσιμο για κινητήρες αερίου.

Οι υπολογισμοί των μηχανικών αερίου δείχνουν ότι, εάν το γαλάζιο καύσιμο πρέπει να μεταφερθεί σε απόσταση 2500 km ή μεγαλύτερη, τότε σε υγροποιημένη μορφή συχνά είναι πιο συμφέρον από τη μεταφορά μέσω αγωγού

Ο κύριος λόγος υγροποίησης του φυσικού αερίου είναι η απλοποίηση της μεταφοράς του σε μεγάλες αποστάσεις. Εάν ο καταναλωτής και η γεώτρηση εξόρυξης βρίσκονται κοντά στην ξηρά, είναι πιο εύκολο και συμφέρον να τοποθετηθεί ένας σωλήνας μεταξύ τους. Ωστόσο, σε ορισμένες περιπτώσεις, η κατασκευή αγωγού είναι πολύ ακριβή και προβληματική λόγω γεωγραφικών ιδιαιτεροτήτων. Γι' αυτό καταφεύγουν σε διάφορες τεχνολογίες παραγωγής ΥΦΑ ή ΥΓΑ σε υγρή μορφή.

Οικονομία και ασφάλεια μεταφορών

Αφού το αέριο υγροποιηθεί, στη συνέχεια, σε υγρή μορφή, εγχέεται σε ειδικές δεξαμενές για μεταφορά μέσω θαλάσσης, ποταμού, οδικών ή σιδηροδρομικών μεταφορών. Τεχνολογικά, η υγροποίηση είναι μια διαδικασία αρκετά δαπανηρή από ενεργειακή άποψη.

Σε διάφορα εργοστάσια, αυτό καταναλώνει έως και το 25% του αρχικού όγκου καυσίμου. Δηλαδή, για την παραγωγή της απαραίτητης ενέργειας, πρέπει να καούν έως 1 τόνος ΥΦΑ για κάθε 3 τόνους σε τελική μορφή. Αλλά το φυσικό αέριο είναι πλέον πολύ ζητούμενο, και όλα αποσβένονται.

Σε υγρή μορφή, το μεθάνιο (προπάνιο-βουτάνιο) καταλαμβάνει 500–600 φορές μικρότερο όγκο από ό,τι σε αέρια κατάσταση

Όσο το φυσικό αέριο βρίσκεται σε υγρή κατάσταση, δεν είναι εύφλεκτο και είναι ασφαλές από έκρηξη. Μόνο μετά την εξάτμιση κατά την επαναεριοποίηση, το μείγμα αερίων που προκύπτει είναι κατάλληλο για καύση σε λέβητες και εστίες μαγειρέματος. Επομένως, εάν το LNG ή το LPG χρησιμοποιούνται ως υδρογονανθρακούχα καύσιμα, πρέπει οπωσδήποτε να επαναεριοποιηθούν.

Χρήση σε διάφορους τομείς

Τις περισσότερες φορές, οι όροι «υγροποιημένο αέριο» και «υγροποίηση αερίου» αναφέρονται στο πλαίσιο της μεταφοράς υδρογονανθρακούχου ενεργειακού φορέα. Δηλαδή, πρώτα γίνεται η εξόρυξη του μπλε καυσίμου και στη συνέχεια η μετατροπή του σε LPG ή LNG. Στη συνέχεια, το υγρό που προκύπτει μεταφέρεται και μετά επιστρέφεται ξανά σε αέρια κατάσταση για διάφορες χρήσεις.

Το LPG (υγροποιημένο αέριο υδρογονανθράκων) αποτελείται κατά 95% και άνω από μείγμα προπανίου-βουτανίου, ενώ το LNG (υγροποιημένο φυσικό αέριο) κατά 85–95% από μεθάνιο. Πρόκειται για παρόμοια και ταυτόχρονα ριζικά διαφορετικά είδη καυσίμων.

Το LPG από προπάνιο-βουτάνιο χρησιμοποιείται κυρίως ως:

• καύσιμο για κινητήρες αερίου;
• καύσιμο για έγχυση σε δεξαμενές αερίου αυτόνομων συστημάτων θέρμανσης;
• υγρά για πλήρωση αναπτήρων και φιαλών αερίου χωρητικότητας από 200 ml έως 50 λίτρων.

Το LNG παράγεται συνήθως αποκλειστικά για μεταφορά σε μεγάλες αποστάσεις. Ενώ για την αποθήκευση LPG αρκεί ένα δοχείο που μπορεί να αντέξει πίεση μερικών ατμοσφαιρών, για το υγροποιημένο μεθάνιο απαιτούνται ειδικές κρυογονικές δεξαμενές.

Ο εξοπλισμός για την αποθήκευση LNG είναι εξαιρετικά τεχνολογικά προηγμένος και καταλαμβάνει πολύ χώρο. Δεν είναι συμφέρουσα η χρήση τέτοιου καυσίμου σε επιβατικά αυτοκίνητα λόγω του υψηλού κόστους των φιαλών. Φορτηγά με LNG, με τη μορφή μεμονωμένων πειραματικών μοντέλων, ήδη κυκλοφόρουν στους δρόμους, αλλά στο τμήμα των επιβατικών αυτοκινήτων αυτό το «υγρό» καύσιμο δύσκολα θα βρει ευρεία εφαμμογή στο άμεσο μέλλον.

Το υγροποιημένο μεθάνιο ως καύσιμο χρησιμοποιείται όλο και πιο συχνά στή λειτουργία:

• σιδηροδρομικών μηχανών έλξης;
• θαλάσσιων σκαφών;
• ποταμίων μεταφορών.

Εκτός από τη χρήση ως ενεργειακοί φορείς, τα LPG και LNG χρησιμοποιούνται επίσης απευθείας σε υγρή μορφή σε εργοστάσια πετροχηικών αερίου. Από αυτά κατασκευάζονται διάφορα πλαστικά και άλλα υλικά με βάση υδρογονανθράκων.

Τεχνολογίες παραγωγής ΥΓΑ και ΥΦΑ

Για να μετατραπεί το μεθάνιο από αέρια σε υγρή κατάσταση, πρέπε να ψυχθεί στους -163 °C. Το προπάνιο-βουτάνιο υγροποιείται ήδη στους -40 °C. Κατά συνέπεια, οι τεχνολογίες και τα κόστη στις δύο περιπτώσεις διαφέρουν σημαντικά.

Ένα λίτρο LG ισούται περίπου με 1,38 κυβικά μέτρα αρχικού φυσικού αερίου (ο αριθμός αυτός εξαρτάται από τη θερμοκρασία και την πίεση), η μείωση όγκου είναι της τάξης των 620 φορών.

Για την υγροποίηση του φυσικού αερίου χρησιμοποιούνται οι ακόλουθες τεχνολογίες από διάφορες εταιρείες:

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

Η βάση όλων αυτών είναι οι διαδικασίες συμπίεσης ή/και θερμικής ανταλλαγής. Η λειτουργία υγροποίησης πραγματοποιείται σε ένα εργοστάσιο σε διάφορα στάδια, κατά τα οποία το αέριο συμπιέζεται και ψύχεται σταδιακά μέχρι τη θερμοκρασία μετάβασης στην υγρή φάση.

Προετοιμασία του μείγματος αερίου

Πριν ξεκινήσει η υγροποίηση του ακατέργαστου φυσικού αερίου, πρέπει να αφαιρεθούν από αυτό το νερό, το ήλιο, το υδρογόνο, το άζωτο, οι ενώσεις θείου και άλλες προσμείξεις. Για αυτόν τον σκοπό συνήθως εφαρμόζεται η τεχνολογία προσρόφησης βαθύ καθαρισμού του μίγματος αερίων με διέλευση μέσω μοριακών κόσκινων.

Στη συνέχεια ακολουθεί το δεύτερο στάδιο προετοιμασίας της πρώτης ύλης, κατά το οποίο αφαιρούνται οι βαριές υδρογονάνθρακες. Τελικά, στο αέριο παραμένουν μόνο το αιθάνιο και το μεθάνιο (ή το προπάνιο και το βουτάνιο) με όγκο προσμείξεων μικρότερο από 5%, ώστε να ξεκινήσει η ψύξη και η υγροποίηση αυτού του κλάσματος.

Η αρχική προετοιμασία με αφαίρεση όλων των περιττών από το φυσικό αέριο πραγματοποιείται για την προστασία του ψυκτικού εξοπλισμού από την επιθετική δράση του νερού, του διοξειδίου του άνθρακα, των θειούχων ενώσεων κ.λπ.

Η κλασμάτωση επιτρέπει την απομάκρυνση των επιβλαβών προσμείξεων και την απομόνωση μόνο του κύριου αερίου για επακόλουθη υγροποίηση. Σε πίεση 1 atm, η θερμοκρασία μετάβασης στην υγρή κατάσταση για το μεθάνιο είναι -163 °C, για το αιθάνιο -88 °C, για το προπάνιο -42 °C και για το βουτάνιο -0,5 °C.

Αυτές ακριβώς οι διαφορές θερμοκρασίας εξηγούν τον λόγο για τον οποίο το αέριο που φτάνει στο εργοστάσιο διαχωρίζεται σε κλάσματα και στη συνέχεια υγροποιείται. Δεν υπάρχει ενιαία τεχνολογία υγροποίησης για όλους τους τύπους αερίων υδρογονανθράκων. Για κάθε έναν από αυτούς πρέπει να κατασκευαστεί και να εφαρμοστεί η δική του τεχνολογική γραμμή.

Κύρια διαδικασία υγροποίησης

Η βάση για τη μετατροπή του αερίου σε υγρή κατάσταση είναι ο ψυκτικός κύκλος, κατά τον οποίο η θερμότητα μεταφέρεται από ένα μέσο χαμηλής θερμοκρασίας σε ένα μέσο υψηλότερης θερμοκρασίας μέσω ενός ψυκτικού μέσου. Αυτή η διαδικασία είναι πολυσταδιακή και απαιτεί ισχυρούς συμπιεστές για τη διαστολή/συμπίεση του μέσου μεταφοράς θερμότητας και εναλλάκτες θερμότητας.

Οι τεχνολογίες συμπίεσης είναι υψηλής τεχνολογίας, ενεργοβόρες και δαπανηρές, ωστόσο σε έναν κύκλο επιτρέπουν τη συμπίεση του αερίου κατά 5–12 φορές

Ως ψυκτικό μέσο σε διάφορα στάδια υγροποίησης χρησιμοποιούνται:

• προπάνιο;
• μεθάνιο;
• αιθάνιο;
• άζωτο;
• νερό (θαλασσινό και καθαρό);
• αέρας.

Για παράδειγμα, για την αρχική ψύξη του φυσικού αερίου στο «Yamal-LNG» της Novatek χρησιμοποιείται ο ψυχρός αρκτικός αέρας, ο οποίος επιτρέπει τη μείωση της θερμοκρασίας της πρώτης ύλης με ελάχιστο κόστος αμέσως στους +10 °C. Και τους ζεστούς καλοκαιρινούς μήνες, αντί αυτού προβλέπεται η χρήση θαλασσινού νερού από τον Αρκτικό Ωκεανό, το οποίο ανεξάρτητα από την εποχή του έτους έχει σταθερή θερμοκρασία 3–4 °C σε βάθος.

Εδώ, ως τελικό ψυκτικό μέσο στο Γιαμάλ, χρησιμοποιείται άζωτο που λαμβάνεται επιτόπου από τον αέρα. Ως αποτέλεσμα, η Αρκτική παρέχει όλα τα απαραίτητα για την παραγωγή ΥΦΑ – από το αρχικό φυσικό αέριο έως τα ψυκτικά μέσα που χρησιμοποιούνται στη διαδικασία υγροποίησης.

Το προπάνιο υγροποιείται με παρόμοια διαδικασία με το μεθάνιο. Μόνο που οι θερμοκρασίες ψύξης που απαιτούνται είναι πολύ λιγότερο χαμηλές – μείον 42 °C έναντι μείον 163 °C. Ως εκ τούτου, η υγροποίηση αερίου για δεξαμενές αερίου είναι πολλές φορές φθηνότερη, ωστόσο το ίδιο το παραγόμενο υγραέριο προπανίου-βουτανίου έχει μικρότερη ζήτηση στην αγορά.

Μεταφορά και αποθήκευση

Σχεδόν όλος ο όγκος του ΥΦΑ μεταφέρεται με μεγάλα θαλάσσια δεξαμενόπλοια μεταφοράς αερίου από τη μια ακτή στην άλλη. Η χερσαία μεταφορά είναι περιορισμένη λόγω της ανάγκης διατήρησης της θερμοκρασίας του «υγρού μπλε καυσίμου» σε τιμές περίπου -160 °C, διαφορετικά το μεθάνιο αρχίζει να μετατρέπεται σε αέρια κατάσταση και γίνεται εκρηκτικό.

Για τη μεταφορά υγραερίου χρησιμοποιούνται φιάλες 5–50 λίτρων με εσωτερική πίεση έως 1,5–2 MPa και μεγαλύτερα δοχεία-δεξαμενές σχεδιασμένα για 5–17 MPa.

Η πίεση στο δοχείο ΥΦΑ είναι κοντά στην ατμοσφαιρική. Ωστόσο, εάν η θερμοκρασία του υγρού μεθανίου ανέβει πάνω από -160 °C, θα αρχίσει να μετατρέπεται από υγρό σε αέριο. Ως αποτέλεσμα, η πίεση στο δοχείο θα αρχίσει να αυξάνεται, γεγονός που αποτελεί σοβαρό κίνδυνο. Ως εκ τούτου, τα δεξαμενόπλοια μεταφοράς ΥΦΑ είναι εξοπλισμένα με συστήματα διατήρησης χαμηλών θερμοκρασιών και ένα ισχυρό στρώμα θερμομόνωσης.

Το υγραέριο επαναεριοποιείται σε αέριο απευθείας στη δεξαμενή αερίου. Η επαναεριοποίηση του ΥΦΑ πραγματοποιείται σε ειδικές βιομηχανικές εγκαταστάσεις χωρίς πρόσβαση οξυγόνου. Από φυσική άποψη, το υγρό μεθάνιο σε θετική θερμοκρασία μετατρέπεται σταδιακά σε αέριο. Ωστόσο, εάν αυτό συμβεί απευθείας στον αέρα χωρίς ειδικές συνθήκες, αυτή η διαδικασία θα οδηγήσει σε έκρηξη.

Αφού το φυσικό αέριο με τη μορφή ΥΦΑ υγροποιηθεί στο εργοστάσιο, μεταφέρεται και στη συνέχεια σε άλλο εργοστάσιο (επαναεριοποίησης) μετατρέπεται ξανά σε αέρια κατάσταση για περαιτέρω χρήση.

Προοπτικές του υγροποιημένου υδρογόνου

Εκτός από την άμεση υγροποίηση και χρήση σε αυτή τη μορφή, από το φυσικό αέριο μπορεί επίσης να ληφθεί ένας ακόμη φορέας ενέργειας – το υδρογόνο. Το μεθάνιο είναι CH₄, το προπάνιο C₃H₈ και το βουτάνιο C₄H₁₀.

Η υδρογονική συνιστώσα υπάρχει σε όλα αυτά τα ορυκτά καύσιμα, απλά πρέπει να την απομονώσουμε.

Τα κύρια πλεονεκτήματα του υδρογόνου είναι η φιλικότητα προς το περιβάλλον και η ευρεία διαθεσιμότητά του στη φύση, ωστόσο το υψηλό κόστος υγροποίησής του και οι απώλειες λόγω συνεχούς εξάτμισης ακυρώνουν σχεδόν αυτά τα πλεονεκτήματα.

Για να μετατραπεί το υδρογόνο από αέρια σε υγρή κατάσταση, πρέπει να ψυχθεί στους -253 °C. Γι' αυτό χρησιμοποιούνται πολυβάθμια συστήματα ψύξης και εγκαταστάσεις «συμπίεσης/εκτόνωσης». Προς το παρόν, τέτοιες τεχνολογίες είναι πολύ ακριβές, αλλά γίνονται εργασίες για τη μείωση του κόστους τους.

Σας προτείνουμε επίσης να διαβάσετε το άλλο μας άρθρο, όπου εξηγήσαμε λεπτομερώς πώς να φτιάξετε μια γεννήτρια υδρογόνου για το σπίτι μόνοι σας. Περισσότερα – κάντε κλικ στον σύνδεσμο.

Επίσης, σε αντίθεση με το LPG και το LNG, το υγροποιημένο υδρογόνο είναι πολύ πιο εκρηκτικό. Ακόμα και η παραμικρή διαρροή του σε συνδυασμό με οξυγόνο δημιουργεί ένα μείγμα αερίου-αέρα που αναφλέγεται από τον παραμικρό σπινθήρα. Η αποθήκευση υγρού υδρογόνου είναι δυνατή μόνο σε ειδικά κρυογονικά δοχεία. Τα μειονεκτήματα του υδρογονικού καυσίμου είναι ακόμα πάρα πολλά.

Συμπεράσματα και χρήσιμο βίντεο για το θέμα

Πώς παράγεται το υγροποιημένο αέριο και γιατί υγροποιείται·

Τα πάντα για τα υγροποιημένα αέρια·

Υπάρχουν αρκετές τεχνολογίες υγροποίησης αερίων. Για το μεθάνιο είναι διαφορετικές, ενώ για το προπάνιο-βουτάνιο είναι διαφορετικές. Επιπλέον, το LPG είναι φθηνότερο στην παραγωγή και ευκολότερο και ασφαλέστερο στη μεταφορά/αποθήκευση. Η παραγωγή LNG μεθανίου είναι μια πιο δαπανηρή και περίπλοκη διαδικασία. Επιπλέον, η επαναεριοποίησή του απαιτεί εξειδικευμένο εξοπλισμό. Ωστόσο, το μεθάνιο είναι πιο δημοφιλές στην αγορά σήμερα, γι' αυτό υγροποιείται σε πολύ μεγαλύτερες ποσότητες.

Έχετε διευκρινιστικές ερωτήσεις ή τη δική σας γνώμη εμπειρογνώμονα σχετικά με το θέμα της υγροποίησης αερίου; Ίσως έχετε κάτι να προσθέσετε στα παραπάνω. Μη διστάσετε να ρωτήσετε και/ή να σχολιάσετε το άρθρο στο παρακάτω πλαίσιο.