ガスが液化される方法と理由：液化ガス生産の技術とニュアンス

コンテンツ

序章
LNGは21世紀の燃料です
液化水素の見通し
火災/爆発のリスクと軽減
なぜ天然ガスを液化するのですか？
輸送の経済性と安全性
さまざまな分野での使用
液化プロパン、ブタン、メタンの性質と能力
液化石油ガス-なぜ他の燃料よりも優れているのですか
ガス冷却
米国のガス
液化ガスのメリット
オクタン価
拡散
タンク圧力
排気
不純物
生産工程
ガスの浄化と液化
入手方法
LNGプラントの建設
LNGと投資

序章

現在、鉄道輸送企業のインフラの一部であるボイラーハウスでは、ほとんどの場合、石炭と燃料油がエネルギー源として機能し、ディーゼル燃料がバックアップとなっています。したがって、たとえば、ロシア鉄道の支線であるOktyabrskaya鉄道の熱供給施設の分析では、ボイラーハウスは主に燃料油で稼働しており、一部のみが天然ガスで稼働していることが示されました。

燃料油ボイラーの利点には、完全な自律性（ガス本管から離れた施設に使用できる可能性）と燃料部品の低コスト（石炭、ディーゼル、電気ボイラーと比較して）が含まれます。欠点は、整理する必要があることです。貯蔵施設、燃料油の供給の確保、燃料品質の管理、環境汚染の問題。燃料を大量に供給する場合は、荷降ろしシステム（燃料油の加熱と排出）とアクセス道路の整備、燃料をボイラーに輸送するための貯蔵施設と燃料油パイプラインの加熱の必要性、および加熱熱交換器の洗浄のための追加費用が必要です。と燃料油フィルター。

ロシア鉄道の熱水供給中央局は、大気への有害な排出に対する料金の予想される急激な上昇に関連して、鉄道ボイラーでの燃料油の使用を削減することを決定しました。 Oktyabrskaya鉄道の一部が通過するムルマンスク地域では、液化天然ガス（LNG）に切り替えるオプションを含め、都市および地区のボイラーハウスの燃料油依存度を減らすことを目的としたプロジェクトが提示されます。カレリアにLNGプラントを建設し、北西連邦管区にガスインフラを建設する予定です。

燃料油から離れることで、ムルマンスク地域のボイラーハウスの効率が40％向上します。

LNGは21世紀の燃料です

近い将来、ロシアは、我が国にとって比較的新しいタイプの代替燃料である液化天然ガスの世界市場への主要な生産者および供給者の1つになる可能性があります。世界で生産されるすべての天然ガスのうち、26％以上が液化され、特別なタンカーで生産国からガス消費国に液体の形で輸送されます。

液化天然ガスには、他のエネルギー担体に比べて大きな利点があります。彼らは短時間で非ガス化決済を提供することができます。さらに、液化天然ガスは、大量に使用される燃料の中で最も環境に優しく安全であり、これにより、産業および輸送での使用の幅広い展望が開かれます。現在、ロシアでの天然ガス液化プラントの建設と輸出用のターミナルの建設についていくつかのオプションが検討されており、そのうちの1つはレニングラード地域のプリモルスク港で実施される予定です。

代替燃料としての液化天然ガスには多くの利点があります。まず、天然ガスの液化により密度が600倍になり、貯蔵や輸送の効率と利便性が向上します。第二に、LNGは金属に対して無毒で非腐食性であり、断熱性のある容器に約112 K（-161°C）の温度でわずかな過圧下で保管される極低温液体です。第三に、それは空気よりも軽く、偶発的な流出の場合、それは自然および人工の窪みに蓄積して爆発の危険を生み出す重いプロパンとは異なり、急速に蒸発します。第四に、それは主要なパイプラインからかなりの距離にある物体をガス化することを可能にします。今日のLNGは、ディーゼルを含むどの石油燃料よりも安価ですが、カロリーの点ではそれらを上回っています。液化天然ガスで作動するボイラーは、効率が高く、最大94％で、冬に予熱するために燃料を消費する必要がありません（燃料油やプロパンブタンなど）。低沸点は、最低周囲温度でのLNGの完全な気化を保証します。

液化水素の見通し

直接液化してこの形で使用することに加えて、別のエネルギー担体である水素も天然ガスから得ることができます。メタンはCH4、プロパンはC3H8、ブタンはC4H10です。

水素成分はこれらすべての化石燃料に含まれているので、それを分離する必要があります。

水素の主な利点は、環境への配慮と自然界での幅広い分布ですが、その液化の高価格と絶え間ない蒸発による損失は、これらの利点を打ち消します。

水素を気体状態から液体に移動させるには、-253°Cに冷却する必要があります。このために、多段冷却システムと「圧縮/膨張」ユニットが使用されます。これまでのところ、そのような技術は高すぎるが、それらのコストを削減するための作業が進行中である。

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また、LPGやLNGとは異なり、液化水素ははるかに爆発性があります。酸素と組み合わせたそのわずかな漏れは、わずかな火花から発火するガスと空気の混合物を与えます。また、液体水素の貯蔵は、特別な極低温容器でのみ可能です。水素燃料にはまだ多くの欠点があります。

火災/爆発のリスクと軽減

製油所で一般的に使用される球形のガス容器。

製油所やガスプラントでは、LPGは加圧タンクに保管する必要があります。これらのコンテナは、円筒形、水平、または球形です。通常、これらの船舶はいくつかの規則に従って設計および製造されています。米国では、このコードは米国機械学会（ASME）によって管理されています。

LPGコンテナには安全弁が付いているため、外部の熱源にさらされると、LPGを大気またはフレアスタックに放出します。

タンクが十分な持続時間と強度の火災にさらされると、沸騰液体膨張蒸気爆発（BLEVE）にさらされる可能性があります。これは通常、非常に大きなコンテナを扱う大規模な製油所や石油化学プラントにとって懸念事項です。原則として、タンクは、圧力が危険なレベルに達するよりも早く製品が出るように設計されています。

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産業環境で使用される保護手段の1つは、そのようなコンテナにある程度の耐火性を提供する手段を装備することです。大型の球形LPGコンテナは、最大15 cmの厚さの鋼製壁を持つことができ、認定された圧力逃し弁が取り付けられています。船の近くで大規模な火災が発生すると、船の温度と圧力が上昇します。上部の安全弁は、過剰な圧力を解放し、コンテナ自体の破壊を防ぐように設計されています。十分な持続時間と火の強さで、沸騰して膨張するガスによって生成される圧力は、余分なものを取り除くバルブの能力を超える可能性があります。これが発生した場合、露出過度のコンテナは激しく破裂し、部品を高速で排出する可能性があります。また、放出された製品も発火し、他のコンテナを含む周辺のあらゆるものに壊滅的な損傷を与える可能性があります。

人々は、吸入、皮膚接触、眼との接触を通じて職場でLPGにさらされる可能性があります。労働安全衛生局（OSHA）は、職場でのLPG暴露の法的限界（許容暴露限界）を、8時間の労働時間で1,000 ppm（1,800 mg / m 3）に設定しました。国立労働安全衛生研究所（NIOSH）は、8時間の労働時間で1,000 ppm（1,800 mg / m 3）の推奨暴露限界（REL）を設定しています。 2000 ppmレベルでは、10％爆発下限界、液化石油ガスは、生命と健康に直接危険であると見なされます（爆発のリスクに関連する安全上の理由のみ）。

なぜ天然ガスを液化するのですか？

青い燃料は、メタン、エタン、プロパン、ブタン、ヘリウム、窒素、硫化水素、その他のガス、およびそれらのさまざまな誘導体の混合物の形で地球の腸から抽出されます。

それらのいくつかは化学産業で使用され、いくつかは熱と電気を生成するためにボイラーまたはタービンで燃やされます。さらに、抽出された一定量がガスエンジン燃料として使用されます。

ガス労働者による計算によると、青い燃料を2,500 km以上の距離に輸送する必要がある場合は、パイプラインよりも液化した方が有利な場合がよくあります。

天然ガスを液化する主な理由は、長距離の輸送を簡素化することです。消費者とガス燃料の生産井が陸上で互いに遠くない場合は、それらの間にパイプを敷設する方が簡単で収益性が高くなります。しかし、場合によっては、地理的なニュアンスのために、高速道路の建設は費用がかかりすぎて問題があることが判明します。したがって、彼らは液体の形でLNGまたはLPGを生産するためのさまざまな技術に頼っています。

輸送の経済性と安全性

ガスが液化された後、それはすでに海、川、道路および/または鉄道による輸送のために特別な容器にポンプで送られる液体の形になっています。同時に、技術的には、液化はエネルギーの観点からかなりコストのかかるプロセスです。

さまざまなプラントで、これは元の燃料量の最大25％を占めます。つまり、この技術に必要なエネルギーを生成するには、完成した形で3トンごとに最大1トンのLNGを燃焼させる必要があります。しかし、天然ガスは現在大きな需要があり、すべてが報われています。

液化形態では、メタン（プロパン-ブタン）は気体状態の場合よりも500〜600倍少ない体積を占めます。

天然ガスが液体状態である限り、不燃性および非爆発性です。再ガス化中に蒸発した後にのみ、得られた混合ガスはボイラーや調理用ストーブでの燃焼に適しています。したがって、炭化水素燃料としてLNGまたはLPGを使用する場合は、再ガス化する必要があります。

さまざまな分野での使用

ほとんどの場合、「液化ガス」および「ガス液化」という用語は、炭化水素エネルギー担体の輸送の文脈で言及されます。つまり、最初に青色燃料が抽出され、次にLPGまたはLNGに変換されます。さらに、得られた液体は輸送され、特定の用途のために再び気体状態に戻されます。

LPG（液化石油ガス）はプロパン-ブタン混合物の95％以上であり、LNG（液化天然ガス）は85〜95％のメタンです。これらは類似しており、同時に根本的に異なる種類の燃料です。

プロパンブタンからのLPGは主に次のように使用されます：

ガスエンジン燃料;
自律暖房システムのガスタンクに噴射するための燃料。
200mlから50リットルの容量のライターとガスボンベを充填するための液体。

LNGは通常、長距離輸送専用に生産されています。 LPGの貯蔵に数気圧の圧力に耐える十分な容量がある場合、液化メタンには特別な極低温タンクが必要です。

LNG貯蔵装置は高度な技術を備えており、多くのスペースを占有します。シリンダーのコストが高いため、乗用車にこのような燃料を使用することは有益ではありません。単一の実験モデルの形をしたLNGトラックはすでに道路を走行していますが、この「液体」燃料は、近い将来、乗用車セグメントで広く使用される可能性は低いです。

燃料としての液化メタンは、現在、運用でますます使用されています。

鉄道ディーゼル機関車;
海の船;
河川輸送。

LPGおよびLNGは、エネルギー担体として使用されるだけでなく、ガスおよび石油化学プラントでも液体の形で直接使用されます。それらは、さまざまなプラスチックやその他の炭化水素ベースの材料の製造に使用されます。

液化プロパン、ブタン、メタンの性質と能力

LPGと他の種類の燃料の主な違いは、特定の外部条件下でその状態を液体から気体に、またはその逆にすばやく変更できることです。これらの条件には、周囲温度、タンク内の内圧、および物質の量が含まれます。たとえば、気温が20ºСの場合、ブタンは1.6MPaの圧力で液化します。同時に、その沸点はわずか-1ºСであるため、厳しい霜では、シリンダーバルブが開いていても液体のままになります。

プロパンはブタンよりも高いエネルギー密度を持っています。その沸点は-42ºСであるため、過酷な気候条件でも、急速にガスを生成する能力を保持します。

メタンの沸点はさらに低くなります。 -160ºСで液体状態になります。 LNGは、国内の条件では実際には使用されませんが、長距離の輸入や輸送では、特定の温度と圧力で天然ガスが液化する能力が非常に重要です。

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タンカーによる輸送

液化炭化水素ガスは、膨張係数が高くなります。したがって、充填された50リットルのシリンダーには、21kgの液体プロパンブタンが含まれています。すべての「液体」が蒸発すると、11立方メートルの気体物質が形成されます。これは240Mcalに相当します。したがって、このタイプの燃料は、自律暖房システムにとって最も効率的で費用効果の高いものの1つと見なされています。あなたはここでそれについてもっと読むことができます。

炭化水素ガスを操作するときは、大気への拡散が遅いこと、および空気と接触したときの可燃性と爆発限界が低いことを考慮する必要があります。したがって、そのような物質は、その特性と特別な安全要件を考慮して、正しく処理する必要があります。

プロパティテーブル

液化石油ガス-なぜ他の燃料よりも優れているのですか

LPGアプリケーションの業界は非常に広く、他の種類の燃料と比較してその熱物理的特性と操作上の利点があります。

交通手段。従来のガスを集落に供給する際の主な問題は、ガスパイプラインを敷設する必要があることです。ガスパイプラインの長さは数千キロメートルに達する可能性があります。液化プロパン-ブタンの輸送は、複雑な通信の構築を必要としません。このために、通常のシリンダーまたは他のタンクが使用され、これらは、道路、鉄道、または海上輸送によって任意の距離を輸送されます。この製品のエネルギー効率が高いことを考えると（1本のSPBボトルで1か月間家族の食事を調理できます）、その利点は明らかです。

生産された資源。液化炭化水素を使用する目的は、主ガスを使用する目的と同様です。これらには、民間施設と居住地のガス化、ガス発生器による発電、車両エンジンの運転、化学工業製品の生産が含まれます。

発熱量が高い。液体のプロパン、ブタン、メタンは非常に迅速に気体の物質に変換され、その燃焼によって大量の熱が放出されます。ブタンの場合-10.8Mcal/ kg、プロパンの場合-10.9 Mcal / kg、メタンの場合-11.9 Mcal/kg。 LPGで稼働する熱機器の効率は、固形燃料材料を原材料として使用する装置の効率よりもはるかに高くなります。

調整のしやすさ。消費者への原材料の供給は、手動モードと自動モードの両方で調整できます。これを行うために、液化ガスの操作の規制と安全性を担当するさまざまなデバイスがあります。

高オクタン価。 SPBのオクタン価は120であり、ガソリンよりも内燃機関の原料として効率的です。プロパンブタンをモーター燃料として使用すると、エンジンのオーバーホール期間が長くなり、潤滑油の消費量が減少します。

集落のガス化のコストを削減します。非常に多くの場合、LPGは、主要なガス分配システムのピーク負荷を排除するために使用されます。さらに、パイプラインのネットワークを引っ張るよりも、遠隔決済のために自律ガス化システムを設置する方が有益です。ネットワークガスの敷設と比較して、特定の設備投資は2〜3倍削減されます。ちなみに、民間施設の自律ガス化のセクションで、より多くの情報を見つけることができます。

ガス冷却

設備の運用では、さまざまな原理のガス冷却システムを使用できます。工業的実施では、液化の3つの主要な方法があります。

カスケード-ガスは、冷媒の沸点が異なる冷却システムに接続された一連の熱交換器を順番に通過します。その結果、ガスは凝縮して貯蔵タンクに入ります。
混合冷媒-ガスは熱交換器に入り、沸点の異なる液体冷媒の混合物が熱交換器に入り、沸騰すると、入ってくるガスの温度が順次低下します。
ターボ膨張-断熱ガス膨張の方法が使用されるという点で、上記の方法とは異なります。それらの。従来の設備で冷媒と熱交換器の沸騰により温度を下げる場合、ここではガスの熱エネルギーがタービンの運転に費やされます。メタンについては、ターボエキスパンダーに基づく設備が使用されています。

米国のガス

米国は、削減されたガス生産技術の本拠地であるだけでなく、自国の原料からのLNGの最大の生産国でもあります。したがって、ドナルド・トランプ政権が、国を世界の主要なエネルギー大国にすることを目的とした野心的なエネルギー計画-アメリカファーストプログラムを提案したとき、世界のガスプラットフォームのすべてのプレーヤーはこれに耳を傾ける必要があります。

米国におけるこの種の政治的好転は、それほど驚くことではありませんでした。炭化水素に関する米国共和党の立場は明確で単純です。これは安いエネルギーです。

米国のLNG輸出の予測はさまざまです。貿易の「ガス」決定における最大の陰謀は、EU諸国で発展していることです。私たちの前に、NordStream2を介したロシアの「クラシック」ガスとアメリカの輸入LNGとの間の最強の競争の写真が展開されています。フランスやドイツを含む多くのヨーロッパ諸国は、現在の状況をヨーロッパのガス源を多様化する絶好の機会と見なしています。

アジア市場に関しては、米国と中国の間の貿易戦争は、輸入されたアメリカのLNGからの中国の電力技術者の完全な拒絶をもたらしました。この動きは、ロシアのガスをパイプラインを通じて中国に長期間かつ大量に供給するための大きな機会を開きます。

液化ガスのメリット

オクタン価

ガス燃料のオクタン価はガソリンよりも高いため、液化ガスの耐ノック性は最高品質のガソリンよりも優れています。これにより、より高い圧縮比のエンジンでより優れた燃費を実現できます。液化ガスの平均オクタン価（105）は、どのブランドのガソリンでも達成できません。同時に、ガスの燃焼速度はガソリンの燃焼速度よりわずかに低いです。これにより、シリンダー壁、ピストングループ、クランクシャフトへの負荷が軽減され、エンジンがスムーズかつ静かに作動します。

拡散

ガスは空気と容易に混合し、シリンダーをより均一な混合気で満たすため、エンジンはよりスムーズで静かに作動します。混合ガスは完全に燃焼するため、ピストン、バルブ、スパークプラグに炭素が堆積することはありません。ガス燃料はシリンダー壁から油膜を洗い流さず、クランクケース内の油と混合しないため、油の潤滑特性を損なうことはありません。その結果、シリンダーとピストンの摩耗が少なくなります。

タンク圧力

LPGは、液相の表面上に気相が存在するという点で、他の自動車用燃料とは異なります。シリンダーを充填する過程で、液化ガスの最初の部分は急速に蒸発し、その全量を充填します。シリンダー内の圧力は飽和蒸気圧に依存し、飽和蒸気圧は液相の温度とその中のプロパンとブタンの割合に依存します。飽和蒸気圧は、HOSの揮発性を特徴づけます。プロパンの揮発性はブタンの揮発性よりも高いため、低温での圧力ははるかに高くなります。

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排気

燃焼する場合、芳香族炭化水素や二酸化硫黄を放出することなく、ガソリンやディーゼル燃料よりも少ない炭素酸化物と窒素酸化物、および未燃炭化水素が放出されます。

不純物

高品質のガス燃料には、硫黄、鉛、アルカリなどの化学不純物が含まれていません。これらの不純物は、燃料の腐食特性を高め、燃焼室、噴射システム、ラムダプローブ（燃料中の酸素量を測定するセンサー）の一部を破壊します。混合物）、触媒コンバーターの排気ガス。

生産工程

生産用の原料は天然ガスと冷媒です。

LNGの生産には2つの技術があります。

オープンサイクル;
窒素膨張サイクル。

オープンサイクル技術は、ガス圧を使用して冷却に必要なエネルギーを生成します。タービンを通過するメタンは冷却されて膨張し、液体を残します。これは簡単な方法ですが、1つの重大な欠点があります。メタンの15％のみが液化され、残りは液化されます。十分な圧力がかかっていない、システムを離れます。

LNG生産技術

プラントの近くに直接ガス消費者がいる場合、この技術はより安価であるため、安全に使用できます。つまり、生産プロセスに費やされる電力は最小限です。その結果、最終製品のコストが削減されます。しかし、消費者がいない場合、この方法を使用することは経済的に実現可能ではありません-原料の大きな損失。

窒素を利用した生産技術：

タービンとコンプレッサーを含む閉回路では、窒素が絶えず循環します。
窒素を冷却した後、それは熱交換器に送られ、そこでメタンが並行して供給されます。
ガスは冷却され、液化されます。
窒素はコンプレッサーとタービンに送られ、冷却されて次のサイクルを通過します。

膜ガス分離技術

このテクノロジーの利点：

原材料の100％使用;
機器のコンパクトさと操作のシンプルさ。
高い信頼性と安全性。

唯一の欠点は、電力消費量が多いことです（完成品の1 nm3/hごとに最大0.5kW/ hが消費されます）。これにより、コストが大幅に増加します。

窒素プラントレイアウト図

ガスの浄化と液化

本質的に、天然ガスの液化は、その精製と冷却のプロセスです。必要な温度だけがマイナス161℃です。

この順序の温度を達成するために、ジュールトムソン効果が使用されます（断熱スロットル中のガス温度の変化-スロットルを通る一定の圧力降下の作用下での遅いガスの流れ）。その助けを借りて、精製ガスの温度はメタンが凝縮する値まで下がります。（注は明確にする必要があります）

液化プラントには、個別の冷媒処理ラインと回収ラインが必要です。さらに、フィールドから来るガスの個々の部分（プロパン、エタン、メタン）は、冷却のさまざまな段階で冷媒として機能する可能性があります。

デブタン化は、原料を蒸留してフラクションにするプロセスの一部であり、その間に凝縮温度の高いフラクションが分離され、不要な不純物から最終製品を精製することができます。各凝縮生成物は、輸出用の貴重な副産物として保存されます。

コンデンセートも最終製品に添加されます。コンデンセート燃料の蒸気圧を下げる安定剤により、保管や輸送に便利です。また、メタンを液体状態から気体に戻す（再ガス化）プロセスを管理しやすくし、エンドユーザーにとってコストを削減することもできます。

入手方法

LNGは、天然ガスから圧縮とそれに続く冷却によって生成されます。液化すると、天然ガスの体積は約600分の1に減少します。液化プロセスは段階的に進行し、各段階でガスが5〜12回圧縮され、次に冷却されて次の段階に移されます。実際の液状化は、圧縮の最終段階の後の冷却中に発生します。したがって、液化プロセスにはかなりのエネルギー消費が必要です[ソースが指定されていない715日]液化ガスに含まれる量の8〜10％。

液化の過程では、スロットル、ターボエキスパンダー、タービンボルテックスなど、さまざまなタイプの設備が使用されます。