Jak a proč se zkapalňuje plyn: technologie výroby a oblast použití zkapalněného plynu

Technologie související s těžbou, přepravou a zpracováním zemního plynu se rychle rozvíjejí. A mnoho lidí dnes slyší zkratky SPG (LPG) a SUG (LNG).

Ale uznejte, že abyste měli jasnou představu o tom, co se děje, je důležité nejprve pochopit, jak se plyn zkapalňuje, proč se to dělá a jaký přínos to přináší nebo nepřináší. A v této otázce existuje mnoho nuancí.

Pro výrobu zkapalněných plynných uhlovodíků se staví velké hi-tech závody. Dále se podrobně podíváme na to, k čemu to všechno je a jak to probíhá.

Proč se zkapalňuje zemní plyn?

Z nitra Země se modré palivo těží jako směs metanu, etanu, propanu, butanu, helia, dusíku, sirovodíku a dalších plynů, jakož i jejich různých derivátů.

Část z nich se používá v chemickém průmyslu a část se spaluje v kotlích nebo turbínách pro výrobu tepelné a elektrické energie. Navíc se určité množství vytěženého plynu používá jako motorové palivo.

Výpočty plynárenských odborníků ukazují, že pokud je třeba modré palivo dopravit na vzdálenost 2500 km nebo více, je často výhodnější to udělat ve zkapalněné formě než potrubím.

Hlavním důvodem zkapalňování zemního plynu je zjednodušení jeho přepravy na velké vzdálenosti. Pokud jsou spotřebitel a těžební vrt plynového paliva na souši blízko sebe, je jednodušší a výhodnější mezi nimi položit potrubí. V některých případech je však stavba dálkového potrubí příliš nákladná a problematická kvůli geografickým specifikům. Proto se přistupuje k různým technologiím získávání SPG nebo SUG v kapalné formě.

Ekonomika a bezpečnost přepravy

Poté, co je plyn zkapalněn, je ve formě kapaliny čerpán do speciálních nádrží pro přepravu po moři, řece, silnici a/nebo železnici. Technologicky je zkapalňování poměrně energeticky náročný proces.

V různých závodech to spotřebuje až 25 % původního objemu paliva. To znamená, že k výrobě potřebné energie podle technologie je třeba spálit až 1 tunu SPG na každé tři tuny hotového produktu. Zemní plyn je však nyní velmi žádaný, vše se vyplatí.

V zkapalněné podobě zaujímá metan (propan-butan) 500–600krát menší objem než v plynném skupenství

Dokud je zemní plyn v kapalném stavu, není hořlavý a je bezvýbuchový. Teprve po odpaření během regazifikace je získaná plynná směs vhodná ke spalování v kotlích a varných deskách. Proto, pokud se LNG nebo LPG používají jako uhlovodíkové palivo, musí být nutně regazifikovány.

Využití v různých oblastech

Nejčastěji se termíny „zkapalněný plyn“ a „zkapalňování plynu“ zmiňují v kontextu přepravy uhlovodíkového energetického nosiče. To znamená, že nejprve dochází k těžbě modrého paliva, a poté k jeho přeměně na LPG nebo LNG. Dále se získaná kapalina přepravuje a poté se opět vrací do plynného skupenství pro ten či onen účel.

LPG (zkapalněný uhlovodíkový plyn) se z 95 % a více skládá ze směsi propan-butanu, zatímco LNG (zkapalněný zemní plyn) z 85–95 % z metanu. Jedná se o podobné a zároveň zásadně odlišné druhy paliva.

LPG z propan-butanu se používá zejména jako:

• motorového paliva na plyn;
• paliva pro plnění do zásobníků autonomních topných systémů;
• kapaliny pro plnění zapalovačů a plynových lahví o objemu od 200 ml do 50 l.

LNG se obvykle vyrábí výhradně pro přepravu na velké vzdálenosti. Zatímco pro skladování LPG postačí zásobník schopný odolat tlaku několika atmosfér, pro zkapalněný metan jsou zapotřebí speciální kryogenní rezervoáry.

Zařízení pro skladování LNG se vyznačuje vysokou technologickou úrovní a zabírá mnoho místa. Používat toto palivo v osobních automobilech není výhodné kvůli vysoké ceně lahví. Nákladní vozidla na LNG již jezdí po silnicích v podobě ojedinělých experimentálních modelů, ale v segmentu osobních aut toto „kapalné“ palivo v blízké budoucnosti pravděpodobně nenajde široké uplatnění.

Zkapalněný metan jako palivo se nyní stále častěji používá při provozu:

• železničních lokomotiv;
• námořních plavidel;
• říční dopravy.

Kromě použití jako energetický nosič se LPG a LNG používají také přímo v kapalné formě v plynárensko-petrochemických závodech. Vyrábí se z nich různé plasty a jiné materiály na uhlovodíkové bázi.

Technologie získávání SUG a SPG

Aby se metan převedl z plynného skupenství do kapalného, je nutné jej ochladit na -163 °C. Propan-butan se zkapalňuje již při -40 °C. Technologie a náklady se v obou případech výrazně liší.

Jeden litr LNG odpovídá přibližně 1,38 krychlového metru původního zemního plynu (toto číslo závisí na teplotě a tlaku), zmenšení objemu je řádově 620krát.

Pro zkapalňování zemního plynu se používají následující technologie od různých firem:

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

Základem všech těchto procesů je stlačování a/nebo tepelná výměna. Operace zkapalňování probíhá v závodě v několika fázích, během kterých je plyn postupně stlačován a ochlazován na teplotu přechodu do kapalné fáze.

Příprava plynné směsi

Před zahájením zkapalňování surového zemního plynu je nutné z něj odstranit vodu, hélium, vodík, dusík, sloučeniny síry a další nečistoty. K tomu se obvykle používá adsorpční technologie hloubkového čištění plynné směsi jejím propouštěním přes molekulová síta.

Poté probíhá druhý stupeň přípravy vstupní suroviny, během kterého se odstraňují těžké uhlovodíky. Výsledkem je, že v plynu zůstává pouze etan a metan (nebo propan a butan) s obsahem nečistot menším než 5 %, aby se tato frakce mohla začít ochlazovat a zkapalňovat.

Primární příprava s odstraněním všeho nepotřebného ze zemního plynu se provádí za účelem ochrany chladicího zařízení před agresivním působením vody, kyseliny uhličité, sirných sloučenin atd.

Frakcionace umožňuje zbavit se škodlivých nečistot a izolovat pouze hlavní plyn pro následné zkapalnění. Při tlaku 1 atm je teplota přechodu do kapalného stavu u metanu -163 °C, u etanu -88 °C, u propanu -42 °C a u butanu -0,5 °C.

Právě tyto teplotní rozdíly vysvětlují důvod, proč se plyn přicházející do závodu dělí na frakce a teprve poté zkapalňuje. Neexistuje jednotná technologie zkapalňování pro všechny typy plynných uhlovodíkových sloučenin. Pro každý z nich je nutné vybudovat a použít vlastní technologickou linku.

Hlavní proces zkapalňování

Základem pro přeměnu plynu do kapalného stavu je chladicí cyklus, během kterého je teplo přenášeno pomocí určitého chladiva z prostředí s nízkou teplotou do prostředí s vyšší teplotou. Tento proces je vícestupňový a vyžaduje výkonné kompresory pro expanzi/stlačování teplonosné látky a výměníky tepla.

Technologie stlačování jsou vysoce technologické, energeticky náročné a nákladné, avšak v jednom cyklu umožňují stlačit plyn hned 5–12krát

Jako chladivo se v různých fázích zkapalňování používají:

• propan;
• metan;
• etan;
• dusík;
• voda (mořská a čištěná);
• vzduch.

Například pro primární ochlazování zemního plynu v zařízení «Jamal-LNG» společnosti Novatek se používá chladný arktický vzduch, který umožňuje snížit teplotu vstupní suroviny s minimálními náklady ihned na +10 °C. A v horkých letních měsících je místo něj zajištěno použití mořské vody ze Severního ledového oceánu, která má bez ohledu na roční období v hloubce stálých 3–4 °C.

Přičemž jako finální chladivo na Jamalu používají dusík získaný přímo na místě ze vzduchu. Výsledkem je, že Arktida poskytuje vše potřebné pro výrobu LNG – od výchozího zemního plynu až po pracovní agenty používané v procesu zkapalňování.

Propan se zkapalňuje podle podobného schématu jako metan. Jen teploty chlazení, které potřebuje, jsou mnohem méně nízké – minus 42 °C oproti minus 163 °C. Proto zkapalňování plynu pro plynojemy stojí několikanásobně levněji, avšak samotný získaný propan-butanový LPG je na trhu méně žádaný.

Přeprava a skladování

Prakticky celý objem LNG se přepravuje velkorozměrnými námořními tankery-plynovezemi od jednoho břehu k druhému. Pozemní přeprava je omezena nutností udržovat teplotu „kapalného modrého paliva“ na hodnotách kolem -160 °C, jinak metan začíná přecházet do plynného stavu a stává se výbušným.

Pro přepravu LPG se používají láhve o objemu 5–50 litrů s vnitřním tlakem do 1,5–2 MPa a větší cisternové nádrže určené pro 5–17 MPa.

Tlak v nádrži s LNG je blízký atmosférickému. Pokud však teplota kapalného metanu stoupne nad -160 °C, začne se přeměňovat z kapaliny na plyn. V důsledku toho začne tlak v nádrži stoupat, což představuje vážné nebezpečí. Proto jsou tankery pro přepravu LNG vybaveny zařízeními pro udržování nízkých teplot a silnou vrstvou tepelné izolace.

LPG se regasifikuje na plyn přímo v plynojemu. Zatímco regasifikace LNG se provádí ve speciálních průmyslových zařízeních bez přístupu kyslíku. Fyzikálně se kapalný metan při kladné teplotě postupně mění na plyn. Pokud by k tomu však docházelo přímo na vzduchu mimo speciální podmínky, vedl by takový proces k výbuchu.

Poté, co se zemní plyn ve formě LNG zkapalní v továrně, přepraví se a poté se opět v továrně (jen regasifikační) přemění zpět do plynného stavu pro další použití.

Perspektivy zkapalněného vodíku

Kromě přímého zkapalnění a použití v této podobě lze ze zemního plynu také získat další energetický nosič – vodík. Metan je CH₄, propan C₃H₈ a butan C₄H₁₀.

Vodíková složka je přítomna ve všech těchto fosilních palivech, stačí ji jen oddělit.

Hlavní přednosti vodíku – ekologičnost a široký výskyt v přírodě, avšak vysoká cena jeho zkapalnění a ztráty v důsledku neustálého vypařování prakticky anulují tyto výhody.

Aby bylo možné přeměnit vodík z plynného stavu na kapalinu, je třeba jej ochladit na -253 °C. K tomu se používají vícestupňové chladicí systémy a zařízení pro „stlačování/rozpínání“. Zatím jsou tyto technologie příliš drahé, ale pracuje se na jejich zlevnění.

Doporučujeme také přečíst náš další článek, kde jsme podrobně popsali, jak si vyrobit vodíkový generátor pro domácnost vlastníma rukama. Více informací – přejděte na odkaz.

Také na rozdíl od LPG a LNG je zkapalněný vodík mnohem výbušnější. Sebemenší únik v kombinaci s kyslíkem vytváří směs plynu a vzduchu, která se vznítí od sebemenší jiskry. A skladování kapalného vodíku je možné pouze ve speciálních kryogenních kontejnerech. Nevýhod vodíkového paliva je zatím příliš mnoho.

Závěry a užitečné video k tématu

Jak se vyrábí zkapalněný plyn a proč se zkapalňuje:

Vše o zkapalněných plynech:

Technologií zkapalňování plynů existuje několik. Pro metan jsou vlastní, pro propan-butan vlastní. Přitom LPG je levnější na získání a přeprava/skladování je jednodušší a bezpečnější. Získávání metanového LNG je nákladnější a složitější proces. Navíc jeho regasifikace vyžaduje specializované zařízení. Přitom metan je dnes na trhu žádanější, proto se zkapalňuje v mnohem větších objemech.

Máte doplňující otázky nebo svůj odborný názor k tématu zkapalňování plynu? Možná máte co dodat k výše uvedenému. Nebojte se, ptejte se a/nebo komentujte článek v bloku níže.