Акулов Л. А.
Введение
Сжиженный природный газ (СПГ) относится к числу жидких криопродуктов, так как его температура кипения при атмосферном давлении составляет 111,66 К. За рубежом производство и потребление СПГ ежегодно интенсивно растет. Это объясняется тем, что диапазон использования СПГ в различных отраслях промышленности и техники чрезвычайно высок. Основные направления его использования показаны на рис. 1, в соответствии с данными, приведенными в [56]
| СПГ | |||||||||||||||||||||
| Системы транспорта, распределения и хранения | Энергоноситель | Холод при регазификации | |||||||||||||||||||
| Водный транспорт | Автотракторное топливо | Технологические процессы | |||||||||||||||||||
| Трубопроводный транспорт | Ракетное и авиационное топливо | Преобразование в электроэнергию | |||||||||||||||||||
| Наземный транспорт | Топливо для рефрижераторных судов | Разделение воздуха | |||||||||||||||||||
| Регулирование неравномерности газопотребления | Топливо для МГД-генераторов | Хранение пищевых продуктов | |||||||||||||||||||
| Снабжение потребителей, удаленных от магистральных газопроводов | |||||||||||||||||||||
Рис. 1 Основные области использования СПГ
Однако при этом необходимо иметь в виду, что наряду с областями использования СПГ, надо учитывать и те области, где он используется после газификации наряду с природным газом (ПГ). К ним относится химия и нефтехимия, черная и цветная металлургия, нефтяная и газовая промышленность, энергостанции, коммунально-бытовое хозяйство и некоторые другие области.
Как отмечено в [39], СПГ производят в 13 странах мира, включая Россию. Основными экспортерами СПГ являются Индонезия, Алжир, Малайзия и Австралия. На долю этих стран приходится 85 % мирового производства СПГ. При этом США одновременно являются как экспортерами, так и импортерами СПГ. Они экспортируют СПГ, получаемый с месторождений Аляски, в Японию и импортируют его из Тринидада, Тобаго, с Ближнего Востока, а также из Австралии и Малайзии. На долю Японии приходится более 50 % мирового импорта СПГ. Вторым импортером СПГ является Южная Корея, которая по данным на 2000 год, импортировала около 14 %.
В настоящее время наиболее успешно использование СПГ имеет место в странах, которые имею достаточно крупные заводы и комплексы по получению СПГ или странах, являющихся экспортерами значительных объемов СПГ. Из числа этих стран наибольшие успехи достигнуты в США, Японии и ряде стран Западной Европы.
Как отмечено в [35] в США на СПГ переведено до 25 % муниципального автотранспорта. На СПГ работают автобусы, грузопогрузчики, корабли, тепловозы. Это в значительной степени объясняется более низкой стоимостью использования СПГ по сравнению с нефтепродуктами и большей безопасностью продуктов сгорания.
Целый ряд европейских автомобилестроительных фирм изготавливают легковые и грузовые автомобили, а также автобусы, работающие на СПГ.
В большинстве случаев предусматривается использование двухтопливной системы, то есть автомобили имеют резервную систему питания двигателя традиционным топливом.
В [56], где рассматриваются конструктивные схемы автомобильных систем хранения и подачи СПГ, приводятся техническая характеристика криогенных топливных баков для автомобилей, ряде зарубежных фирм. Объем топливных баков, рассчитанных на заполнение СПГ у этих автомобилей находится в пределах от 72 до 260 л. При этом запас хода у автомобилей «Kaiser Brencar», имеющего бак вместимостью 72 л СПГ, составляет 290 км.
Значительные объемы СПГ в зарубежных странах используются в комплексах типа «Пик-шевинг», предназначенных для регулирования пиковых нагрузок газопотребителей, которые могут быть вызваны резким понижением температуры воздуха и кратковременным снижением, а иногда и прекращением поставок газа из магистрального трубопровода.
В России и целом ряде государств исследуется, и реализуются и другие различные направления использования СПГ, о которых приводятся сведения в [28 – 29, 40, 55 – 57 и других].
Япония является основным импортером СПГ, поставляемого различным странами. В этой стране достигнуты значительные успехи в использовании холода, получаемого при регазификации СПГ, в воздухоразделительных установках (ВРУ), в установках по переработке вторичного сырья, в стационарных холодильниках, в рефрижераторном транспорте и ряде других областей.
К сожалению, в России и в бывшем СССР, несмотря на целый ряд успешных выполненных научных и практических исследований по возможности и целесообразности использования СПГ в качестве топлива, результаты этих работ не нашли практического применения. Это во многом объяснялось наличием мощной сырьевой базы для производства бензина и его низкой стоимости.
В связи с изменившейся в настоящее время энергетической ситуацией и учитывая положительные результаты, полученные в предыдущие годы при использовании СПГ в качестве топлива, можно предположить, что в России в ближайшие годы можно ожидать возобновления и широкого развития работ по использованию СПГ.
По получению СПГ в последние годы уже сделаны первые реальные шаги, связанные с разработкой и созданием ожижителей ПГ небольшой производительности (ЗАО «Сигма-газ»), с использованием перепада давления на газораспределительных станциях (ГРС), установленных на магистральных газопроводах ПГ. Благодаря таким установкам решается задача снабжения газом населенных пунктов, находящихся на значительном удалении от магистральных трубопроводов путем доставки в них СПГ с последующей его газификацией на месте потребления и дальнейшего использования ПГ для коммунально-бытовых нужд.
В связи с этим можно предположить, что в ближайшие годы работы, связанные с разработкой и созданием ожижителей ПГ различной производительности получат более широкое развитие, а СПГ начнут использовать в значительных объемах в перспективных различных технологиях, основные этапы которых приведены в [56].
Характеристика природных газов, которые могут быть использованы для получения СПГ
Россия является одной из ведущих мировых стран по достигнутым успехам в поисках и разведке газовых и газоконденсатных месторождений. Она обладает такими уникальными и крупнейшими в мире месторождениями, как Уренгойское, Заполярное, Медвежье в Тюменской области, в республике Коми и многими другими.
В табл. 1, по данным [12], приведены составы газов, некоторых газовых и газоконденсатных месторождений России. В табл. 2 рассмотрены составы природных (попутных нефтяных) газов ряда месторождений бывшего СССР, которые приведены в [24], а в табл. 3 составы ПГ некоторых зарубежных месторождений.
Из данных, приведенных, а таблице 1 видно, что газы Северной части Тюменской области по составу являются чисто метановыми. В этих газах конденсат, как правило, отсутствует, а содержание тяжелых гомологов метана измеряется долями процента. В составе других газов, несмотря на преобладающее содержание метана, все же присутствует незначительное количество тяжелых гомологов метана и конденсата.
Таблица 1
Состав газов и газоконденсатных месторождений
ряда газоносных и нефтегазовых регионов России
| Месторождение | Месторасположение | Состав газа, % мол. | |||||||
| СН4 | С2Н6 | С3Н8 | С4Н10 | С5Н12+ | N2 | Н2S | CО2 | ||
| Уренгойское Заполярное Игримское Усть-Вилюйское Майкопское Каневское Степновское | Север Тюменской области То же Запад Тюменской области Республика Саха Краснодарский край Краснодарский край Саратовская область | 99,4 99,6 93,9 92,5 88,7 88,5 94,9 | 0,3 0,2 2,3 2,8 5,1 3,8 2,3 | -- -- 0,7 1,8 1,6 2,9 0,7 | -- -- 0,5 0,9 1,0 1,7 0,4 | -- -- 0,5 0,4 1,1 1,3 1,0 | -- -- 2,0 1,4 1,0 1,4 0,2 | Нет Нет Нет Нет Нет Нет Нет | 0,3 0,2 0,1 0,2 1,5 0,4 0,5 |
Продолжение таблицы 1
| Месторождение | Месторасположение | Состав газа, % мол. | |||||||
| СН4 | С2Н6 | С3Н8 | С4Н10 | С5Н12+ | N2 | Н2S | CО2 | ||
| Русский Хутор Оренбургское Канчуринское Вуктылское | Дагестан Оренбургская область Башкиростан Республика Коми | 69,1 82,13 84,6 75,7 | 11,3 3,69 5,0 9,1 | 3,3 1,5 1,9 3,1 | 1,7 1,4 0,7 0,7 | 8,6 2,2 1,8 7,5 | 3,3 7,5 6,0 3,7 | Нет 1,3-1,5* Нет Нет | 2,7 0,5 -- 0,2 |
*- На отдельных участках месторождения содержание Н2S достигает 4,5%
Таблица 2
Состав природных (попутных нефтяных) газов
| Месторождение | Состав газа, % мол. | |||||||||
| СН4 | С2Н6 | С3Н8 | изо-С4Н10 | Н-С4Н10 | С5Н12+ | СО2 | N2+О2 | Н2S | Сумма тяжелых углеводородов от С3 и выше, г/нм3 | |
| Туймазинское Миннибаевское Ишимбайское Старогрозненское Бакинское Долинское Радченское | 41,0 48,0 57,3 34,4 89,8 80,2 76,6 | 19,7 16,6 2,8 40,0 0,2 8,0 10,0 | 17,0 16,6 13,2 20,6 0,1 6,2 4,5 | 2,1 1,8 6,1 9,4 -- 2,88 2,0 | 5,2 5,5 3,9 10,4 0,3 -- 2,0 | 3,2 2,9 11,1 6,9 1,2 3,12 0,4 | 0,2 -- 1,5 2,3 8,4 -- -- | 11,6 9,1 1,0 -- -- -- 4,5 | -- -- 3,1 -- -- -- -- | 138,8 |
Таблица 3
Состав ПГ некоторых зарубежных месторождений [1]
| Страна | Местонахождение месторождения | Молярная доля компонента, % | |||||
| CН4 | С2+ | С3+ | N2 | Не | СО2/Н2S | ||
| США ----------- Алжир Нидерланды Польша | Канзас (Канингем) Оклахома (Хуготон) Хасси-Р/Мель Грогинген | 62,3 71,5 83,0 81,15 56,02 | 21,2 7,0 7,1 2,9 0,53 | -- 5,4 3,7 0,7 -- | 15,1 15,5 5,8 14,3 42,75 | 1,2 0,4 0,19 0,05 0,4 | 0,2 0,2 0,21 0,9 0,3 |
Подавляющее большинство газов содержит небольшие количества азота и углекислоты, а в некоторых имеется присутствие сероводорода.
Газы, содержащие Н2S, могут вызвать коррозию магистрального газопровода при транспортировании газа, а продукты его сгорания – коррозию технологического оборудования, в котором сжигается газ.
Газы, содержащие Н2S, не допускаются к использованию в бытовых приборах в связи с тем, что продукты их сгорания вредны для человеческого организма. Влага с предельными углеводородами до С4 при определенных давлениях и температурах, характерных для магистральных трубопроводов, образуют комплексные соединения – гидраты углеводородов, которые в твердом ледообразном виде, могут откладываться в трубопроводах, вызывая их забивку.
В связи с этим природные газы на головных сооружениях магистральных газопроводов подвергают предварительному разделению или очистке с одновременной осушкой.
Из попутных нефтяных газов при их сжатии до Р = 5÷6,0 МПа для транспортирования по газопроводу выделяют в виде конденсата компоненты С3 – С8. При этом практически полностью удаляются углеводороды С5 – С8 и значительно уменьшается концентрация углеводородов С3 – С4.
В [24] приведены данные по содержанию нежелательных примесей в ПГ, которым должен удовлетворять газ, транспортируемый по магистральному трубопроводу. Эти данные представлены в табл. 4
Таблица 4
Показатели, которым должны удовлетворять газы, транспортируемые по магистральным газопроводам
| Показатели | Размерность | При эксплуатации | |
| Летом (t > 100 C) | Зимой в северных районах (t < -300 C) | ||
| Концентрация Н2О (точка росы) Концентрация Н2S Концентрация углеводородов: С4 + C5 + Концентрация балластных компонентов (СО2 и N2) Содержание пыли | 0 С % мол % мол % мол % мол мг/нм3 | < + 40 C < 0,03 < 2 < 0.8 < 20 < 200 | < - 400 C < 0,03 < 0,40 < 0, 1 < 20 < 200 |
Эти показатели нашли отражение в ГОСТе 5542-87 «Газы, Горючие, природные для промышленного и коммунально-бытового назначения», где массовые концентрации сероводорода и меркаптановой серы не должны соответственно превышать 0,02 и 0,036 г/м3 , объемная доля кислорода должна быть не более 1 %, а точка росы влаги в пункте сдачи должна быть ниже температуры газа.
Что касается наличия в ПГ балластных компонентов то, в каждом отдельном случае, должна рассматриваться технико-экономическая целесообразность удаления из газа этих компонентов при его использовании или транспортировании и их допускаемой конечной концентрации в ПГ.
Близкие к требованиям по содержанию примесей в ПГ и величинам, приведенным в табл. 4, определены и нормами физико-химических показателей ПГ в соответствии с ГОСТ 27577-87 «Газ природный топливный сжатый для газобаллонных автомобилей», который подается на АГНКС для заправки автомобильного транспорта. По данным ОАО «Лентрансгаза» компонентный состав этого газа (в объем. %) содержит:
Метана 95 ± 5;
Этана, не более 4;
Пропана, не более 1,5;
Бутанов, не более 1,0;
Пентанов, не более 0,3;
Диоксида углерода, не более 1,0;
Кислорода, не более 1,0;
Азота 0 - 4,0;
Сероводорода, не более 0,002 г/нм3;
Меркаптановой серы, не более 0,016 г/нм3;
Массовая доля сероводородной и меркаптановой серы, не более 0,1 %;
Масса механических примесей, не более 0,001 г/нм3;
Масса влаги, не более 0,009 г/нм3.
В [2] показано, что экономически выгодным является метод криогенной очистки природного газа от такой балластной примеси, как азот. Экономическая эффективность этого метода может быть существенно повышена, если очищаемый ПГ в своем составе содержит гелий, и одновременно с очисткой ПГ от азота производится извлечение из него гелия.
В [1] рассмотрена технологическая схема такой установки, работающей на газе месторождения Гронинген (Голландия), изготовленной на заводах фирмы «Газ де Франс» (Франция).
В исходном ПГ содержится 14,3 % моль N2, а в получаемых метановых фракциях среднего и низкого давления его содержание снижается соответственно до 2,16 и 2,0 % моль.
В [1] приведены данные, подтверждающие высокую эффективность криогенной очистки ПГ, где содержание N2 составляет 63,8 % моль. Конечная концентрация продукционного метана, получаемого на этой установке, составляет 95,1 % моль при остаточной концентрации азота всего 3,8 % моля.
Очистка и осушка природных газов
Из предыдущего раздела видно, что ПГ, который может быть направлен на ожижение, в основном, в своем составе содержит метан. Из углеводородов более высокого порядка лишь незначительное содержание приходится на этан и пропан. Однако содержание N2 и CO2 может быть довольно значительным. Кроме того, даже при точке росы равной минус 400 С в газе содержится некоторое количество водяных паров.
Физические свойства основных компонентов ПГ приведены в табл. 5.