Сжиженный природный газ (СПГ) – газ, переведенный в жидкое состояние при его охлаждении ниже критических температур (т.е. минус 163 0С), сокращается в объеме в 600 раз, что дает возможность его хранения в теплоизолированных емкостях с последующей их транспортировкой специальными судами-метановозами или по железной дороге, или же автоцистернами в любую часть мира. Именно в этом и состоит его преимущество, заключающееся в части неограниченности его транспортируемости; однако это преимущество существенно снижается из-за более высокой стоимости его получения, в особенности в части повышения энергозатрат, осуществляемых при традиционном способе его получения с применением многокомпонентных газовых смесей [1], в связи с чем и была предложена новая, более дешевая технология сжижения природного газа с использованием преобразованного в жидкость воздуха (повсеместно доступного рабочего хладагента). Более того, все традиционные технологии практически рассчитаны на их использование на поверхности, т.е. в атмосферных условиях, и рассчитаны на большую занимаемую территорию (не менее гектара); последнее обстоятельство совершенно не подходит для их использования в ограниченных объемах подводного замкнутого пространства, не говоря уже о значительном энергопотреблении.
Современные способы производства СПГ основаны на его охлаждении многосмесевыми газовыми хладагентами, получение которых, в свою очередь, довольно существенно различаются между собой технологическими процессами и набором применяемых способов их получения [1]; среди них наибольшее распространение получили технологии компаний Air Products and Chemical, Conoco Philips, Linde, Shell и Liquefin, каждая из которых использует три последовательно развивающиеся группы проектно- конструкторских решений: в первой используют холодильные циклы с чистыми хладагентами, во второй – со смесевыми хладагентами, а в третьей, наконец, используются сложные многокомпонентные смеси углеводородных хладагентов, получение которых, в свою очередь, осуществляется с помощью дополнительного набора оборудования и многократных энергетических затрат.
В отличие от традиционных способов сжижения природного газа (ПГ), нами предложен новый, чрезвычайно простой и менее энергозатратный способ его сжижения в противотоке с жидким воздухом. Такое решение логически опирается на возможность сжижения ПГ в противоточном пластинчатом теплообменнике и основано на противопоставлении температур сжижения этих сред: ПГ – минус 163 оС, а жидкий воздух – минус 196 ОС. В результате реализации такого противотока на одном конце противоточного теплообменника будет вытекать СПГ, а на противоположном конце будет вытекать обычный воздух, направляемый в атмосферу или водную толщу. Осуществление такого процесса возможно, когда ПГ, выходящий из пласта, поступает в подводное сооружение, в котором его предварительно очищают от вредных примесей и паров влаги и направляют в противоточный теплообменник (как это обычно производится и в традиционном способе его сжижения) навстречу газовому потоку; в этот же теплообменник направляется жидкий воздух, который прокачивается криогенным насосом из подводного резервуара (следует отметить, что жидкий воздух должен регулярно завозиться подводным танкером/газовозом, челночно курсирующим между приемным терминалом СПГ и газовым/газоконденсатным месторождением); при этом следует отметить, что, поскольку температура природного газа, выходящего из скважины, может иметь различную положительную температуру, морская вода позволяет его охладить хотя бы до +5–10 ОС. Таким образом, если прокачивать эти среды (попутный газ и жидкий воздух) в противоточном теплообменнике, то на одном конце мы получим сжиженный природный газ (СПГ), а на противоположном – обычный воздух, который можно выпускать в водную толщу/среду. Полученный таким образом СПГ направляется в подводный резервуар, установленный на месторождении. При этом уместно отметить, что в случае закачки в арктические воды, которые, как правило, обеднены растворенным в воде кислородом воздуха (в то же время хорошо известно, что морская вода обладает способностью поглощать кислород воздуха), то при использовании предложенной подводной технологии сжижения природного газа это весьма положительно отразится на жизнедеятельности органики морской среды.
Наряду с изложенным следует отметить, что в предложенной нами технологии мы не ограничились только процессом сжижения природного газа; на приемных терминалах нового поколения можно будет получать более дешевый жидкий воздух благодаря использованию холода регазификации природного газа также в противоточном теплообменнике с нагнетаемым из атмосферы воздухом: такое решение позволяет снизить температуру нагнетаемого воздухе примерно до минус 140–150 оС с последующим доведением его до жидкого состояния традиционными способами (с помощью использования известного цикла Линде или путем его детандирования (метод П.Л. Капицы – использование турбодетандера, предложенного еще в прошлом веке); более того, из полученного жидкого воздуха дополнительно на приемном терминале можно получать жидкий кислород, жидкий аргон, широко используемые для сварки.
Еще необходимо отметить, что в процессе производства жидкого воздуха необходимо получать и жидкий азот, небольшое количество которого следует постоянно иметь в наличии для регулярной промывки танков после опорожнения СПГ с целью предотвращения образования взрывоопасной смеси паров СПГ и жидкого воздуха в резервуаре.
Таким образом, по существу предложен замкнутый цикл получения жидкого воздуха на приемном терминале; далее этот продукт танкером доставляется на месторождение, сливается в подводный резервуар, из которого жидкий воздух подается в теплообменник, а с противоположного конца подается ПГ, в результате чего в резервуар СПГ поступает требуемый продукт.
После перекачки жидкого воздуха из танкера на прием подводного резервуара на месторождении все емкости танкера промываются жидким азотом для предотвращения образования взрывоопасной смеси паров; таким образом, танкер заполняется СПГ, и с этим грузом танкер направляется на приемный терминал; так осуществляется замкнутый кругооборот: СПГ на жидкий воздух, но при этом непременно все емкости танкера подвергаются промывке.
В программе UniSim Design была построена модель описанной выше технологии сжижения воздуха (рисунок 1).
Блок сжижения представляет собой ряд ребристо-пластинчатых теплообменников, в которых в противотоке будет происходить теплообмен между жидким воздухом и природным газом. В первом теплообменном аппарате природный газ охлаждается до минус 20 0С, во втором до минус 40 0С, в третьем до минус 70 0С, на выходе из четвертого он будет иметь температуру минус 161 0С при давлении 6 МПа. Далее природный газ дросселируется до 130 кПа и поступает в сепаратор, где СПГ отделяется от отпарного газа и поступает в резервуар для хранения.
Жидкий воздух поступает в блок сжижения с температурой минус 192 0С при давлении 400 кПа, а выходит из него с температурой 0 0С при давлении 150 кПа.
В качестве цикла получения жидкого воздуха был выбран цикл низкого давления (Капицы), так как он является самым энергетически выгодным, в случае если не требуется дальнейшее разделение на компоненты.
Затраты энергии в данной технологии будут приходиться на сжатие воздуха в компрессорах в цикле низкого давления. Они изначально составляют 1696 кВт*ч/т (с учетом возврата части энергии (198 кВт*ч/т СПГ) в турбодетандере), а при использовании холода от регазификации СПГ они сократятся до 1543 кВт*ч/т СПГ.
Расчеты показали, что для производства 1 т СПГ требуется 1,98 т жидкого воздуха, а для получения 1,98 тонн жидкого воздуха требуется сжимать 25 тонн воздуха по циклу низкого давления (до 0,8 МПа). Именно поэтому требуются такие большие энергозатраты, а использование холода от регазификации не дает значительного эффекта (эффективность повышается на 9 %), так как на охлаждение 25 тонн воздуха будет приходиться холод всего от тонны СПГ.
Полученные результаты показали, что данная технология сжижения является энергетически невыгодной по сравнению с традиционными технологиями сжижения (C3MR, DMR, MFC), энергозатраты которых могут составить порядка 350 кВт*ч/т СПГ [4]. Также при данной технологии половина резервуаров танкеров не будет заполнена при транспортировке СПГ, так как необходимо почти 2 тонны жидкого воздуха на 1 тонну СПГ, и еще потребуются дополнительные затраты на получение азота для продувки резервуаров перед загрузкой СПГ.
Таким образом, использование жидкого воздуха в качестве хладагента для получения СПГ не обладает термодинамической и энергетической эффективностью, применение исследованной технологии не целесообразно.
