Hogyan és miért cseppfolyósítják a gázt: a gyártási technológia és a cseppfolyósított gáz felhasználási területei

A földgáz kitermelésével, szállításával és feldolgozásával kapcsolatos technológiák rohamosan fejlődnek. És ma sokak számára ismerős a cseppfolyósított földgáz (LNG) és a cseppfolyósított kőolajgáz (LPG) rövidítése. Szinte minden nap megemlítik a természetes gázüzemanyagot a hírekben, valamilyen összefüggésben.

De, valljuk be, ahhoz, hogy világos képet kapjunk a történésekről, fontos először megérteni, hogyan cseppfolyósítják a gázt, miért teszik ezt, és milyen előnyökkel jár vagy nem jár. És ebben a kérdésben rengeteg finomság van.

A gáznemű szénhidrogének cseppfolyósításához nagy, magas technológiájú üzemeket építenek. A továbbiakban részletesen megvizsgáljuk: miért van szükség erre és hogyan történik.

Miért cseppfolyósítják a földgázt?

A föld mélyéből a kékes üzemanyagot metán, etán, propán, bután, hélium, nitrogén, hidrogén-szulfid és más gázok, valamint ezek különböző származékainak keverékeként bányásszák.

Egy részüket a vegyiparban használják, más részüket kazánokban vagy turbinákban égetik el hő- és elektromos energia előállítására. Ezenkívül a kitermelt mennyiség egy részét gázmotoros üzemanyagként hasznosítják.

A gázipari szakemberek számításai szerint, ha a kékes üzemanyagot 2500 km-es vagy annál nagyobb távolságra kell szállítani, akkor cseppfolyósított formában gyakran gazdaságosabb, mint csővezetéken keresztül.

A földgáz cseppfolyósításának fő oka a nagy távolságra történő szállítás egyszerűsítése. Ha a fogyasztó és a gázkitermelő kút a szárazföldön közel vannak egymáshoz, akkor egyszerűbb és gazdaságosabb csövet fektetni közéjük. De bizonyos esetekben a csővezeték építése túl drága és problémás a földrajzi sajátosságok miatt. Ezért folyamodnak a cseppfolyósított földgáz (LNG) vagy a cseppfolyósított kőolajgáz (LPG) előállításának különböző technológiáihoz.

A szállítás gazdaságossága és biztonsága

Miután a gázt cseppfolyósították, folyadék formájában speciális tartályokba töltik tengeri, folyami, közúti és/vagy vasúti szállítás céljából. Ugyanakkor technológiai szempontból a cseppfolyósítás elég energiaigényes folyamat.

A különböző üzemekben ez az eredeti üzemanyag-mennyiség akár 25%-át is felemészti. Vagyis a technológiához szükséges energia előállításához akár 1 tonna LNG-t is el kell égetni minden 3 tonna késztermékre. De a földgáz jelenleg nagyon keresett, minden megtérül.

Cseppfolyós állapotban a metán (propán-bután) 500–600-szor kisebb térfogatot foglal el, mint gáz halmazállapotban.

Amíg a földgáz folyékony állapotban van, nem éghető és robbanásbiztos. Csak a regázosítás során történő párolgás után válik a kapott gázelegy alkalmassá az elégetésre a kazánokban és főzőlapokban. Ezért ha az LNG-t vagy LPG-t szénhidrogén üzemanyagként használják, akkor azokat feltétlenül regázosítani kell.

Felhasználás különböző területeken

Leggyakrabban a „cseppfolyósított gáz” és a „gáz cseppfolyósítása” kifejezések a szénhidrogén energiahordozó szállításának kontextusában kerülnek említésre. Vagyis először a kék tüzelőanyag kitermelése történik, majd annak átalakítása LPG-vé vagy LNG-vé. Azután a kapott folyadékot szállítják, majd ismét gáz halmazállapotba hozzák valamilyen alkalmazás céljából.

Az LPG (cseppfolyósított szénhidrogén gáz) 95% vagy annál nagyobb arányban propán-bután keverékből áll, míg az LNG (cseppfolyósított földgáz) 85–95%-ban metánból. Ezek hasonló és egyben alapvetően eltérő üzemanyagtípusok.

A propán-butánból készült LPG-t főként az alábbiakra használják:

• gázmotoros üzemanyagként;
• autonóm fűtési rendszerek gáztartályaiba történő betöltésre szolgáló üzemanyagként;
• 200 ml és 50 l közötti űrtartalmú öngyújtók és gázpalackok töltésére szolgáló folyadékként;

Az LNG-t általában kizárólag nagy távolságokra történő szállításra gyártják. Míg az LPG tárolásához elegendő egy olyan tartály, amely elbír néhány atmoszféra nyomást, addig a cseppfolyós metánhoz speciális kriogén tartályokra van szükség.

Az LNG tárolására szolgáló berendezések rendkívül technológiaigényesek és sok helyet foglalnak. Az ilyen üzemanyagot személygépkocsikban használni nem gazdaságos a palackok magas ára miatt. Az LNG-vel működő teherautók egyedi kísérleti modellek formájában már közlekednek az utakon, de a személyautók szegmensében ez a „folyékony” tüzelőanyag a közeli jövőben aligha talál széles körű alkalmazást.

A cseppfolyós metánt üzemanyagként egyre gyakrabban használják a következők üzemeltetése során:

• vasúti mozdonyok;
• tengeri hajók;
• folyami közlekedés.

Az LPG-t és LNG-t az energiahordozóként való felhasználáson kívül közvetlenül folyékony formában is alkalmazzák gáz- és petrolkémiai üzemekben. Belőlük különböző műanyagokat és egyéb szénhidrogén alapú anyagokat készítenek.

Az LPG és LNG előállításának technológiái

Ahhoz, hogy a metánt gáz halmazállapotból folyékonyba alakítsák, -163 °C-ra kell hűteni. A propán-bután viszont már -40 °C-on cseppfolyósodik. Ennek megfelelően a technológiák és a költségek mindkét esetben jelentősen eltérnek.

Egy liter LNG körülbelül 1,38 köbméter eredeti földgáznak felel meg (ez a szám függ a hőmérséklettől és a nyomástól), a térfogatcsökkenés körülbelül 620-szoros.

A földgáz cseppfolyósításához a következő, különböző cégek által kifejlesztett technológiákat használják:

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

Valamennyiük alapja a kompresszió és/vagy a hőcsere folyamata. A cseppfolyósítási művelet a gyárban több lépcsőben zajlik, melyek során a gázt fokozatosan összenyomják és lehűtik a folyékony halmazállapotba való átmenet hőmérsékletére.

A gázelegy előkészítése

Mielőtt elkezdenék cseppfolyósítani a nyers földgázt, el kell távolítani belőle a vizet, héliumot, hidrogént, nitrogént, kénvegyületeket és egyéb szennyeződéseket. Ehhez általában adszorpciós technológiát alkalmaznak a gázkeverék mélytisztítására, molekulaszitákon átvezetve azt.

Ezután következik a nyersanyag előkészítésének második szakasza, melynek során eltávolítják a nehéz szénhidrogéneket. Ennek eredményeképpen a gázban csak etán és metán (vagy propán és bután) marad, kevesebb mint 5% szennyeződéssel, hogy ezt a frakciót lehessen hűteni és cseppfolyósítani.

Az elsődleges előkészítés, mely során a földgázból eltávolítanak minden feleslegest, azért történik, hogy a hűtőberendezést megvédjék a víz, szén-dioxid, kénvegyületek stb. agresszív hatásától.

A frakcionálás lehetővé teszi a káros szennyeződések eltávolítását és csak az alapgáz kinyerését a későbbi cseppfolyósításhoz. 1 atm nyomáson a metán cseppfolyósodási hőmérséklete -163 °C, az etáné -88 °C, a propáné -42 °C, a butáné pedig -0,5 °C.

Pontosan ezek a hőmérsékleti különbségek magyarázzák, miért van szükség a frakciókra bontásra, és csak azután a gyárba érkező gáz cseppfolyósítására. Nem létezik egységes cseppfolyósítási technológia minden típusú gáznemű szénhidrogénvegyületre. Mindegyikhez saját technológiai sort kell építeni és alkalmazni.

A cseppfolyósítás alapfolyamata

A gáz folyékony halmazállapotba való átvitelének alapja a hűtési ciklus, melynek során valamilyen hűtőközeggel a hő az alacsony hőmérsékletű közegből a magasabb hőmérsékletű közegbe kerül. Ez a folyamat többfokozatú, és erős kompresszorokat igényel a hűtőközeg tágításához/összenyomásához, valamint hőcserélőket.

A kompressziós technológiák magas technológiai színvonalúak, energiaigényesek és költségesek, ugyanakkor egy ciklus alatt lehetővé teszik a gáz 5–12-szeres összenyomását.

A cseppfolyósítás különböző szakaszaiban hűtőközegként a következőket alkalmazzák:

• propán;
• metán;
• etán;
• nitrogén;
• víz (tengeri és tisztított);
• levegő.

Például a Novatek Jamal-SPG-jénél a földgáz elsődleges hűtésére hűvös sarkvidéki levegőt használnak, amely lehetővé teszi a nyersanyag hőmérsékletének minimális költséggel történő csökkentését azonnal +10 °C-ra. A forró nyári hónapokban pedig helyette az Északi-sarki-óceánból származó tengervíz használatát irányozzák elő, amely az évszaktól függetlenül a mélyben állandó 3–4 °C-os hőmérsékletű.

Mindeközben a Jamalon végleges hűtőközegként közvetlenül a helyszínen, a levegőből nyert nitrogént alkalmazzák. Ennek eredményeképpen az Arktisz mindent biztosít az LNG előállításához – a kiindulási földgáztól egészen a cseppfolyósítás során használt munkaanyagokig.

A propán cseppfolyósítása a metánéhoz hasonló sémán történik. Csakhogy a hűtési hőmérsékletnek sokkal kevésbé alacsonynak kell lennie – mínusz 42 °C a mínusz 163 °C-kal szemben. Ezért a gáztartályokba szánt gáz cseppfolyósítása sokkal olcsóbb, azonban az így nyert propán-bután PB-gáz iránt kisebb a kereslet a piacon.

Szállítás és tárolás

Gyakorlatilag az LNG teljes mennyiségét nagy méretű tengeri gázszállító tartályhajók szállítják egyik partról a másikra. A szárazföldi szállítást korlátozza, hogy a „folyékony kék üzemanyag” hőmérsékletét körülbelül -160 °C-on kell tartani, különben a metán gáz halmazállapotba kezd átmenni, és robbanásveszélyessé válik.

A PB-gáz szállításához 5-50 literes palackokat használnak, amelyek belső nyomása legfeljebb 1,5-2 MPa, valamint nagyobb tartálykocsikat, amelyeket 5-17 MPa nyomásra terveztek.

Az LNG-tárolóban a nyomás közel légköri. Ha azonban a folyékony metán hőmérséklete -160 °C fölé emelkedik, akkor folyadékból gázzá kezd alakulni. Ennek következtében a tartályban a nyomás növekedni kezd, ami komoly veszélyt jelent. Ezért az LNG szállítására szolgáló tartályhajókat alacsony hőmérséklet fenntartására szolgáló berendezésekkel és erős hőszigetelő réteggel szerelik fel.

A PB-gáz közvetlenül a gáztartályban regázzá alakul. Az LNG regázosítása viszont speciális ipari berendezésekben, oxigén hozzáférés nélkül történik. Fizikailag a folyékony metán pozitív hőmérsékleten fokozatosan gázzá alakul. Ha azonban ez közvetlenül a levegőn, speciális körülmények nélkül történik, az a folyamat robbanáshoz vezet.

Miután a földgázt LNG formájában cseppfolyósítják a gyárban, szállítják, majd egy másik (regázosító) gyárban visszaalakítják gáz halmazállapotúvá a további felhasználás céljából.

A cseppfolyósított hidrogén kilátásai

A közvetlen cseppfolyósításon és ilyen formában történő felhasználáson kívül a földgázból egy másik energiahordozó is nyerhető – a hidrogén. A metán CH₄, a propán C₃H₈, a bután pedig C₄H₁₀.

A hidrogénkomponens jelen van mindezekben a fosszilis tüzelőanyagokban, csak ki kell vonni.

A hidrogén fő előnyei a környezetbarát jellege és a természetben való széles körű elterjedtsége, azonban a cseppfolyósításának magas költsége és a folyamatos párolgás miatti veszteségek gyakorlatilag semmissé teszik ezeket az előnyöket.

Ahhoz, hogy a hidrogént gáz halmazállapotból folyadékká alakítsák, -253 °C-ra kell hűteni. Ehhez többlépcsős hűtőrendszereket és „összenyomás/tágítás” berendezéseket használnak. Egyelőre az ilyen technológiák túlságosan drágák, de folyik a munka az olcsóbbá tételükön.

Ajánljuk, hogy olvassa el másik cikkünket is, ahol részletesen elmagyaráztuk, hogyan készítsen otthoni hidrogéngenerátort saját kezűleg. További részletek – kattintson a linkre.

Az LPG-től és LNG-től eltérően a cseppfolyós hidrogén sokkal robbanékonyabb. A legkisebb szivárgása oxigénnel kombinálva gáz-levegő keveréket hoz létre, amely a legkisebb szikrától is meggyullad. A folyékony hidrogén tárolása csak speciális kriogén tartályokban lehetséges. A hidrogén üzemanyagnak jelenleg túl sok hátránya van.

Következtetések és hasznos vidéó a témából

Hogyan állítják elő a cseppfolyósított gázt és miért cseppfolyósítják?

Minden a cseppfolyósított gázokról:

A gázok cseppfolyósításának több technológiája létezik. A metánnak megvannak a maga technológiái, a propán-butánnak pedig a sajátjai. Emellett az LPG-t olcsóbb előállítani, szállítani/tárolni pedig egyszerűbb és biztonságosabb. A metánból készült LNG előállítása költségesebb és bonyolultabb folyamat. Ráadásul a regázosítása speciális berendezéseket igényel. Ugyanakkor a metán ma nagyobb keresletnek örvend a piacon, ezért sokkal nagyobb mennyiségben cseppfolyósítják.

Van pontosító kérdése vagy szakértői véleménye a gázcseppfolyósítás témájában? Esetleg van hozzáfűznivalója a fentiekhez. Ne habozzon, kérdezzen és/vagy kommentálja a cikket az alábbi blokkban.