Kako in zakaj utekočinjajo plin: tehnologija proizvodnje in področje uporabe utekočinjenega plina

Tehnologije, povezane s pridobivanjem, transportom in predelavo zemeljskega plina, se hitro razvijajo. In mnogi danes poznajo okrajšavi LNG (utekočinjeni zemeljski plin) in LPG (utekočinjeni naftni plin).

Vendar se strinjate, da je za jasno razumevanje dogajanja pomembno najprej razumeti, kako se plin utekočinja, zakaj se to počne in kakšno korist prinaša ali ne. Podrobnosti pri tem vprašanju je ogromno.

Za proizvodnjo utekočinjenih plinastih ogljikovodikov se gradijo veliki visokotehnološki obrati. V nadaljevanju si bomo podrobno ogledali, čemu vse to služi in kako poteka.

Zakaj utekočinjajo zemeljski plin?

Iz zemeljskih globin se modro gorivo pridobiva kot mešanica metana, etana, propana, butana, helija, dušika, vodikovega sulfida in drugih plinov ter njihovih derivatov.

Del se uporablja v kemični industriji, del pa se zgoreva v kotlih ali turbinah za proizvodnjo toplotne in električne energije. Poleg tega se določena količina pridobljenega plina uporablja kot plinsko motorno gorivo.

Izračuni plinskih strokovnjakov kažejo, da če je treba modro gorivo dostaviti na razdaljo 2500 km ali več, je to pogosto ugodneje v utekočinjeni obliki kot po cevovodu.

Glavni razlog za utekočinjanje zemeljskega plina je poenostavitev njegovega prevoza na dolge razdalje. Če sta odjemalec in vrtina za pridobivanje plinskega goriva na kopnem blizu drug drugega, je lažje in ugodneje med njima položiti cev. Vendar je v nekaterih primerih gradnja magistralnega plinovoda predraga in problematična zaradi geografskih podrobnosti. Zato se zatečejo k različnim tehnologijam pridobivanja LNG ali LPG v tekoči obliki.

Ekonomija in varnost prevoza

Ko je plin utekočinjen, se v tekoči obliki črpa v posebne posode za prevoz po morju, rekah, s cestnimi in/ali železniškimi prevoznimi sredstvi. Hkrati je utekočinjanje s tehnološkega vidika precej energetsko potraten proces.

V različnih obratih se za to porabi do 25% prvotne količine goriva. To pomeni, da je za proizvodnjo potrebne tehnološke energije treba sežgati do 1 tone LNG na vsake tri tone končnega izdelka. Toda zemeljski plin je danes zelo iskan, vse se povrne.

V utekočinjeni obliki zavzema metan (propan-butan) 500–600-krat manjši volumen kot v plinastem stanju

Dokler je zemeljski plin v tekočem stanju, ni vnetljiv in je eksplozijsko varen. Šele po izhlapevanju med regazifikacijo je nastala plinasta mešanica primerna za zgorevanje v kotlih in kuhalnih ploščah. Zato, če se UZP ali UZG uporablja kot ogljikovodikovo gorivo, ga je treba obvezno regazificirati.

Uporaba na različnih področjih

Najpogosteje se izraza »utekočinjen plin« in »utekočinjanje plina« omenjata v kontekstu prevoza ogljikovodikovega energenta. To pomeni, da najprej poteka pridobivanje modrega goriva, nato pa njegova pretvorba v UZG ali UZP. Nato pridobljeno tekočino prevažajo in jo kasneje spet pretvorijo v plinasto stanje za eno ali drugo uporabo.

UZG (utekočinjen ogljikovodikov plin) je iz 95 % in več sestavljen iz mešanice propan-butan, medtem ko je UZP (utekočinjen zemeljski plin) iz 85–95 % sestavljen iz metana. To sta podobni in hkrati korenito različni vrsti goriva.

UZG iz propan-butana se v glavnem uporablja kot:

• gorivo za plinske motorje;
• gorivo za polnjenje v plinohrame samostojnih ogrevalnih sistemov;
• tekočina za polnjenje vžigalnikov in plinskih jeklenk prostornine od 200 ml do 50 l.

UZP običajno proizvajajo izključno za prevoz na dolge razdalje. Če za shranjevanje UZG zadošča rezervoar, ki lahko prenese tlak nekaj atmosfer, so za utekočinjen metan potrebni posebni kriogeni rezervoarji.

Oprema za shranjevanje UZP se odlikuje po visoki tehnološki zahtevnosti in zavzame veliko prostora. Uporaba takega goriva v osebnih avtomobilih ni donosna zaradi visoke cene jeklenk. Tovornjaki na UZP v obliki posameznih eksperimentalnih modelov že vozijo po cestah, toda v segmentu osebnih avtomobilov to »tekoče« gorivo v bližnji prihodnosti verjetno ne bo našlo široke uporabe.

Utekočinjen metan kot gorivo se danes vse pogosteje uporablja pri obratovanju:

• železniških dizelskih lokomotiv;
• morskih ladij;
• rečnega prometa.

Poleg uporabe kot energent se LPG in LNG uporabljata tudi neposredno v tekoči obliki v plinsko-naftnokemičnih obratih. Iz njih izdelujejo različne plastične mase in druge materiale na ogljikovodikovi osnovi.

Tehnologije pridobivanja LPG in LNG

Da bi prevedli metan iz plinastega v tekoče stanje, ga je treba ohladiti na -163 °C. Propan-butan pa se utekočini že pri -40 °C. V skladu s tem se tehnologije in stroški v obeh primerih močno razlikujejo.

En liter UZP je približno enak 1,38 kubičnim metrom izvornega zemeljskega plina (ta številka je odvisna od temperature in tlaka), zmanjšanje prostornine je približno 620-krat.

Za utekočinjanje zemeljskega plina se uporabljajo naslednje tehnologije različnih podjetij:

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

Osnova vseh njih so procesi komprimiranja in/ali toplotne izmenjave. Operacija utekočinjanja poteka v tovarni v več stopnjah, med katerimi se plin postopoma stisne in ohladi do temperature prehoda v tekočo fazo.

Priprava plinske mešanice

Preden začnemo utekočinjati surovi zemeljski plin, je treba iz njega odstraniti vodo, helij, vodik, dušik, žveplove spojine in druge nečistoče. Za to se običajno uporablja adsorpcijska tehnologija globinskega čiščenja plinske mešanice s prehajanjem skozi molekularna sita.

Nato sledi druga faza priprave surovine, med katero se odstranijo težki ogljikovodiki. Na koncu v plinu ostaneta le etan in metan (ali propan in butan) z volumnom nečistoč manj kot 5 %, da se to frakcijo začne ohlajati in utekočinjati.

Primarna priprava z odstranitvijo vsega nepotrebnega iz zemeljskega plina se izvaja, da se zaščiti hladilno opremo pred agresivnim vplivom vode, ogljikove kisline, žveplovih spojin itd.

Frakcioniranje omogoča odstranitev škodljivih nečistoč in izločitev le osnovnega plina za nadaljnje utekočinjanje. Pri tlaku 1 atm je temperatura prehoda v tekoče stanje za metan -163 °C, za etan -88 °C, za propan -42 °C in za butan -0,5 °C.

Prav te temperaturne razlike pojasnjujejo razlog, zakaj se plin, ki prispe v tovarno, razdeli na frakcije in šele nato utekočini. Enotne tehnologije utekočinjanja za vse vrste plinastih ogljikovodičnih spojin ne obstaja. Za vsako od njih je treba zgraditi in uporabiti svojo tehnološko linijo.

Glavni postopek utekočinjanja

Osnova za pretvorbo plina v tekoče stanje je hladilni cikel, med katerim se z enim ali drugim hladilnim sredstvom toplota prenaša iz okolja z nizko temperaturo v okolje z višjo. Ta proces je večstopenjski in zahteva močne kompresorje za razširitev/stiskanje hladilnega sredstva ter toplotne izmenjevalnike.

Tehnologije komprimiranja so visokotehnološke, energijsko potratne in drage, vendar v enem ciklu omogočajo stiskanje plina kar 5–12-krat.

Kot hladilno sredstvo se na različnih stopnjah utekočinjanja uporabljajo:

• propan;
• metan;
• etan;
• dušik;
• voda (morska in prečiščena);
• zrak.

Na primer, za primarno ohlajanje zemeljskega plina v obratu «Jamal-SPG» družbe Novatek se uporablja hladen arktični zrak, ki omogoča znižanje temperature surovine z minimalnimi stroški takoj na +10 °C. V vročih poletnih mesecih pa je namesto njega predvidena uporaba morske vode iz Severnega ledenega oceana, ki ima ne glede na letni čas na globini stalnih 3–4 °C.

Pri tem pa na Jamalu kot končno hladilno sredstvo uporabljajo dušik, ki ga pridobivajo neposredno na kraju iz zraka. Posledično Arktika daje vse potrebno za pridobivanje SPG – od izvornega zemeljskega plina do delovnih agensov, uporabljenih v procesu utekočinjanja.

Propan se utekočinja po podobni shemi kot metan. Le da potrebuje precej manj nizke temperature hlajenja – minus 42 °C v primerjavi z minus 163 °C. Zato je utekočinjanje plina za plinohrame za večkrat cenejše, vendar je sam pridobljeni propan-butanski SUG manj zahtevan na trgu.

Transport in skladiščenje

Skoraj celotna količina SPG se prevaža z velikimi pomorskimi tankerji za plin od ene obale do druge. Kopenski prevoz je omejen zaradi potrebe po vzdrževanju temperature »tekočega modrega goriva« pri vrednostih približno -160 °C, sicer metan začne prehajati v plinasto stanje in postane eksplozivno nevaren.

Za prevoz SUG se uporabljajo jeklenke od 5 do 50 litrov z notranjim tlakom do 1,5–2 MPa ter večje cisternaste posode, dimenzionirane za 5–17 MPa

Tlak v posodi s SPG je blizu atmosferskega. Vendar, če se temperatura tekočega metana dvigne nad -160 °C, bo začel prehajati iz tekočine v plin. Posledično se bo tlak v posodi začel povečevati, kar predstavlja resno nevarnost. Zato so tankerji za prevoz SPG opremljeni z napravami za vzdrževanje nizkih temperatur in močno plastjo toplotne izolacije.

SUG se regasificira v plin neposredno v plinohramu. Regasifikacija SPG pa poteka na posebnih industrijskih napravah brez dostopa kisika. Fizikalno se tekoči metan pri pozitivni temperaturi postopoma pretvarja v plin. Vendar če bi se to dogajalo neposredno na zraku zunaj posebnih pogojev, bi tak proces povzročil eksplozijo.

Potem ko zemeljski plin v obliki SPG utekočinijo v tovarni, ga prevažajo, nato pa ga v drugi tovarni (samo regasifikacijski) spet pretvorijo v plinasto stanje za nadaljnjo uporabo.

Perspektive utekočinjenega vodika

Poleg neposrednega utekočinjanja in uporabe v takšni obliki je iz zemeljskega plina mogoče pridobiti še en energetski vir – vodik. Metan je CH₄, propan C₃H₈, butan pa C₄H₁₀.

Vodikova komponenta je prisotna v vseh teh fosilnih gorivih, le izločiti jo je treba.

Glavne prednosti vodika so okolju prijaznost in široka razširjenost v naravi, vendar visoka cena njegovega utekočinjanja in izgube zaradi stalnega izparevanja te prednosti skoraj v celoti izničijo.

Da bi vodik iz plinastega stanja pretvorili v tekočino, ga je treba ohladiti na -253 °C. Za to se uporabljajo večstopenjski hladilni sistemi in naprave za »stiskanje/širjenje«. Zaenkrat so takšne tehnologije predrage, vendar poteka delo na njihovem pocenitvi.

Priporočamo tudi branje našega drugega članka, kjer smo podrobno opisali, kako narediti vodikov generator za dom z lastnimi rokami. Podrobneje – pojdite na povezavo.

Prav tako je v nasprotju z LPG in LNG utekočinjeni vodik veliko bolj eksploziven. Že najmanjše puščanje v kombinaciji s kisikom ustvari mešanico plina in zraka, ki se vname že ob najmanjši iskri. Shranjevanje tekočega vodika pa je možno le v posebnih kriogenih posodah. Pomanjkljivosti vodikovega goriva je zaenkrat preveč.

Zaključki in koristen video na to temo

Kako proizvajajo utekočinjen plin in zakaj ga utekočinjajo:

Vse o utekočinjenih plinih:

Obstaja več tehnologij utekočinjanja plinov. Za metan so svoje, za propan-butan pa svoje. Pri tem je pridobivanje UNP cenejše, prevoz/skladiščenje pa enostavnejše in varnejše. Pridobivanje metanskega UZP je dražji in bolj zapleten postopek. Poleg tega njegova regasifikacija zahteva specializirano opremo. Metan pa je danes na trgu bolj povpraševan, zato ga utekočinjajo v veliko večjih količinah.

Imate vprašanja za pojasnitev ali svoje strokovno mnenje o temi utekočinjanja plina? Morda imate kaj dodati zgoraj navedenemu. Ne oklevajte, vprašajte in/ali komentirajte članek v spodnjem bloku.