Топливо СУГ

Сжиженный природный газ (LNG) как автомобильное топливо

Сжиженный природный газ (СПГ) (англ. Liquefied Natural Gas) – это природный газ, охлажденный до температуры сжижения. СПГ представляет собой бесцветную жидкость без запаха, которая не токсична и не вызывает коррозии. Кроме того, это не самовозгорающийся газ, что выгодно отличает его в плане безопасности. В жидком состоянии газ занимает гораздо меньший объем. Одинаковое количество СПГ и природного газа отличаются по объему в 600 раз. Чтобы наглядно представить себе это различие, сравните надувной пляжный мяч и шарик для пинг-понга.

Энергетический рынок огромен и добыча природного газа увеличивается с каждым годом. Поэтому роль СПГ, наряду со сжатым природным газом, газоконденсатными жидкостями (NGL) и GTL (газ в жидкость) в обозримом будущем будет возрастать.

Получение и хранение сжиженного природного газа

Сжижение природного газа – не новая технология, ей уже более ста лет. Она была запатентована в США в 1914 году, а через три года был построен первый завод. С тех пор производство СПГ прочно вошло в нефтегазовый сектор, однако повышенный интерес к нему стал проявляться только в последние годы в связи с ростом экологических требований к источникам энергии.

СПГ производят путем охлаждения природного газа, состоящего в основном из метана, до точки сжижения -162° по Цельсию. В процессе сжижения от газа отделяются и отфильтровываются кислород, сера, азот, двуокись углерода и вода. Поэтому полученный продукт отличается высокой чистотой. После сжижения газ транспортируется в жидком состоянии и в пункте назначения может быть опять восстановлен в газообразную фазу на специальных СПГ терминалах (регазификация).

В настоящее время существует несколько промышленных технологий сжижения природного газа, в основе которых лежит один из двух способов: каскадный процесс или процесс Линде (разновидностью его является процесс Клода).

В каскадном процессе газ, сжижающийся при более высокой температуре, используется в жидком виде для охлаждения и сжижения второго газа, находящегося под избыточным давлением, температура сжижения которого ниже. Второй сжиженный газ, в свою очередь, используется в третьем каскаде для охлаждения и сжижения еще более трудно конденсируемого газа и т.д. Для сжижения природного газа достаточны три цикла с использованием в качестве хладагентов пропана, этилена и метана.

Процесс Линде основан на эффекте Джоуля-Томсона. Предварительно охлажденный и находящийся под давлением газ пропускается через теплоизолированный трубопровод, в котором имеется сужение (дроссель) или пористая перегородка. За дросселем газ расширяется, в результате чего происходит его дальнейшее охлаждение. После нескольких таких циклов газ достигает температуры сжижения.

Хранится сжиженный природный газ при давлении от 3 до 10 бар в емкостях с вакуумной изоляцией. Температура хранения варьируется в зависимости от состава газа и давления. При атмосферном давлении температура СПГ не должна превышать -162° C.

Сжиженный природный газ как автомобильное топливо

Одним из главных преимуществ СПГ является снижение выбросов СО2 и других парниковых газов (до 30% по сравнению с бензином и дизтопливом). Это делает его весьма востребованным в контексте общей тенденции к более экологичным энергетическим решениям. Применение СПГ также позволяет укладываться в строгие современные нормы выбросов, чего не удается достичь с другими видами топлив.

Сжиженный природный газ (как и сжатый газ) существенно снижает коррозию и износ частей двигателя по сравнению с бензином. Это связано с тем, что газ не смывает масляную пленку со стенок цилиндра при холодном пуске. Дизельные моторы, работающие на природном газе, зачастую проходят свыше 800 000 км без капремонта.

Молекула метана обладает высокой стойкостью, поэтому октановое число природного газа составляет от 105 до 120 единиц, что является причиной его высокой антидетонационной стойкости. Выбросы двигателей, работающих на газе, чище, с меньшим содержанием углерода и твердых частиц (сажи).Объемная плотность энергии СПГ примерно в 2,4 раза выше, чем у сжатого природного газа. Плотность энергии сжиженного природного газа сравнима с пропаном и этанолом, но составляет лишь 60% плотности энергии дизтоплива, и 70% бензина.

Широкому коммерческому использованию СПГ препятствует более высокая стоимость производства и необходимость хранения в дорогостоящих криогенных резервуарах. Однако с учетом истощения запасов нефти, повышения экологических требований, газификация автомобильного транспорта, особенно тяжелых грузовиков и автобусов будет возрастать.

Устройство топливной системы автомобиля на СПГ

В качестве примера рассмотрим топливную систему HPDI 2.0 (High Pressure Direct Injection) канадской компании Westport – ведущего производителя оборудования для сжиженного природного газа. Система HPDI 2.0 заменяет приблизительно 95% дизельного топлива природным газом. Технология Westport HPDI является единственной, которая максимально использует природный газ, сохраняя при этом мощность, крутящий момент, КПД и топливную эффективность, достигаемые при работе на дизтопливе. При этом значительно сокращаются эксплуатационные расходы, так как природный газ намного дешевле. Установка HPDI 2.0 не требует никакой переделки основных компонентов стандартного дизельного мотора. Ее также можно легко приспособить для работы на сжатом природном газе.

Основой топливной системы двигателя является инновационная форсунка с двойной концентрической иглой, разработанная в сотрудничестве с Delphi. Она позволяет впрыскивать под высоким давлением в камеру сгорания небольшое количество дизельного топлива и большие объемы природного газа. Природный газ подается в конце такта сжатия. Однако для его воспламенения при давлении, которое обеспечивает обычный дизельный двигатель, требуется более высокая температура. Поэтому для облегчения воспламенения в цилиндр предварительно впрыскивается небольшое количество дизельного топлива с последующим основным впрыском природного газа. Горящее дизтопливо мгновенно поджигает горячие продукты сгорания в цилиндре, а те, в свою очередь, впрыскиваемую следом порцию природного газа.

Сжиженный природный газ хранится в специальном баке, в котором смонтирован оригинальный криогенный насос. Из бака газ подается в испаритель, использующий тепло охлаждающей жидкости двигателя. На выходе из испарителя газ имеет температуру около 40° C при давлении 30 МПа. Далее газ фильтруется и направляется в модуль топливоподготовки, а затем подается к форсункам.

Топливо СУГ

Общее сокращение СУГ объединяет несколько видов сжиженных углеводородных газов, используемых в различных областях промышленности. Наибольшую известность СУГ получили в автотранспортной сфере – как альтернатива бензиновому и дизельному топливу. Для заправки авто чаще применяются смеси пропана и бутана. Также в качестве топлива используется метан – справедливости ради, его нельзя назвать сжиженным газом, поскольку это только сжатый под большим давлением, компримированный природный газ (КПГ).

Такие виды топлива заметно выгоднее, оптимально безопасны при правильном подключении системы ГБО (газобаллонного оборудования). Кроме того, после отработки сжиженные газы, а также метан, наносят минимальный ущерб экологии, в отличие от дизтоплива и бензина. Владельцев автотранспорта привлекает и отсутствие дорогостоящих технических проектов для монтажа газовой топливной системы.

Стоит учесть, что газовые пропан-бутановые смеси на АЗС стоят почти в два раза дешевле бензина, а расход СУГ только немногим выше жидких топлив с расчётом на идентичный пробег:

✔ Зимний состав – 1,25 л газовой смеси против 1 литр бензина;

✔ Летний газ – 1,19 л СУГ против 1 литра бензина.

Совокупность всех свойств и возможностей этих смесей вызывает вполне обоснованный интерес водителей к переходу на альтернативный вид топлива. Условным ограничением может стать пока ещё не такая широкая сеть автозаправок, продающих углеводородное топливо. Но владельцы топливных карт и авто с газовым оборудованием успешно пользуются информацией с АЗС-локатора – все точки со сжиженными газами и маршруты к ним по территории России можно найти буквально за секунды, а число газозаправочных станций постоянно увеличивается.

Характеристики сжиженных газов

Применение газовых смесей как топлива для авто нельзя назвать новым явлением в автомобильной сфере. Российская часть истории применения такого ресурса длится уже более 80 лет, и к настоящему времени заслужила право называться безопасной. Метан, пропан и бутан – главные игроки сегмента газового топлива, и все эти три вида объединяют общие характеристики:

✔ Отсутствие запаха – для установки на авто топливным газам намеренно придают ароматический маркер, с помощью которого можно быстро обнаружить утечку;

✔ Устойчивость к воспламенению – при равных концентрациях бутан возгорается при +429 С, пропан при +466 С, метан при +537С, в то время как бензин и дизтопливо воспламеняются уже при t +250-300;

✔ Предельно полное сгорание газов – одновременно достигается высокий топливный КПД и минимизируется объём вредных выбросов в атмосферу;

✔ Низкое образование нагара – сохранение качества поршней в цилиндрах, свечей, камеры сгорания мотора;

✔ Высокое октановое число сжиженных газов – у метана 110, у пропан-бутановой смеси 100.

Официальные стандарты качества для СУГ

Опасения водителей о взрывоопасности газового оборудования происходят чаще от некорректной, произведенной с нарушениями установки системы ГБО, отсутствия контроля состояния баллонов. Технические регламенты и условия, разъясняющие порядок и нормы переоборудования можно найти, например, в ТР ТС 018/2011, прил. №9 О специализированных транспортных средствах (работающих на сжиженных углеводородных газах), также в Правилах ЕЭК ООН №115 относительно разных классов транспортных средств.

С помощью пропан-бутанового или метанового состава достигается баланс между экономичностью, надёжностью и возможностью применения в разных климатических условиях:

✔ Бутан в сжиженном виде и метан не морозоустойчив, но невосприимчив к жаркому климату;

✔ Пропан летом реагирует на высокие температуры и может привести к повышению давления в газовом баллоне;

В смеси же пропан и бутан, на фоне индивидуальных температурнозависимых характеристик дополняют друг друга, газы в разных объемах образуют стабильную, надёжную субстанцию, которая и снабжает топливную систему автомобиля. В зависимости от сезона на АЗС продаются зимние и летние газовые смеси с разными пропорциями содержимого. Например, для зимних сортов СУГ объём бутана составляет 40%, в летних 60%.

Все требования к качеству углеводородного автомобильного топлива, подробные описания свойств метана, бутана и пропана – составных элементов смесей сжиженных топливных газов – описаны в ГОСТ (№ 27578-2018).

СУГ для автомобилей – газобалонное топливо

Если следовать точности определения, в категории СУГ нужно учитывать только пропан и бутан – именно они являются сжиженными газами. Несмотря на «метанизацию» автотранспорта и правительственные субсидии для всех, кто решит перейти с бензина и дизеля на газовое топливоснабжение категории КПГ, внимание автовладельцев к пропан-бутановым СУГ остаётся по-прежнему высоким. Споры между приверженцами метанового топлива и пропан-бутановой смеси решить невозможно, поскольку обе группы топлива имеют внушительный список достоинств, но также и ряд ограничений.

Выбор той или другой газовой схемы топливного снабжения необходимо делать с учетом вида автотранспорта, интенсивности и дальности его эксплуатации. На случай активных поездок на дальние расстояния владельцы большегрузных авто чаще ориентируются по объёму расходов на топливо, поскольку размер затрат на установку ГБО довольно быстро. И напротив, если возникает вопрос перевода легкового авто с небольшой или средней степенью использования в городе, основным параметром станет не цена затрат на установку и последующие заправки машины газом, а конструкция двигателя и топливной системы авто.

Марки сжиженных углеводородных газов

Сегодня разработаны и активно применяются в различных сферах деятельности четыре вида СУГ, и только два их вида применяются по климатическим условиям (согласно ГОСТ Р52087-2003):

✔ ПБА – пропан-бутан автомобильный (разрешен к применению при t окружающей среды не ниже минус 20С);

✔ ПА – пропан автомобильный.

Кроме автомобильной сферы применение сжиженным природным газам находится в промышленности, системах отопления, для коммунально-бытовых нужд и др. В этих областях применяются технические марки топлива: ПБТ, БТ и ПТ (пропан, бутан и пропан-бутан технические).

Что касается именно топливных систем для автомобилей, упомянутый ГОСТ подробно описывает актуальность смесей в зависимости от климатических условий и регионов.

Что такое сжиженный газ и где его используют

В голубом топливе, добываемом из недр, присутствуют разные газы: метан, бутан, пропан, азот, гелий, сероводород. Одни из них являются компонентами химических производств, другие – сжигаются для получения энергии (электрической и тепловой). Некоторые служат газомоторным топливом.

перевозка сжиженный газ

Если необходимо топливо доставить на удаленный объект, то в силу географических нюансов это часто выгоднее сделать не по трубопроводу, а в сжиженном виде. То есть, газ сжиженный упрощает доставку к удаленным объектам.

Что СПГ и СУГ собой представляют

При оптимальной температуре воздуха и нормальном давлении углеводороды пребывают в газообразном состоянии. Но, они переходят в жидкое состояние, если незначительно увеличивают давление (без смены температуры).

Сжижаемый искусственно природный газ (при температуре минус 160 градусов)легче хранить и транспортировать. Объем при этом в сравнении с исходным меньше в 600 раз.

В промышленных условиях также для процессов фракционирования НПГ, проходящих при низких температурах, пользуются природным сжиженным газом, из которого выделяют пропан, этан, бутан, газовый бензин и гелий.

Важно: В воздухе сжиженный газ растворяется, переходя в состояние газообразное. Если уровень концентрации достигнет 5-15%, и произойдет контакт с источником пламени, газ может воспламениться. Если же она меньше 5%, этого не произойдет.

Многие страны, среди которых Испания с Францией, Япония с Бельгией, Южная Корея, СПГ используют не первый год как один из основных источников энергоресурсов, нужный для промышленных нужд, используемый в коммунальных комплексах и в быту, на заводах нефтехимических и в качестве топлива для автомобилей.

Для систем газоснабжения России наибольший интерес представляет технический пропан, пары которого обладают хорошей упругостью. Благодаря этому из наполненного этим газом газгольдера или баллона легко отобрать необходимое количество паров даже при минусовых температурах, что позволяет такие емкости и в зимнее время размещать на улице.

Бутан, в сравнении с пропаном, является более дешевым. При его сгорании 4 атома углерода и 10 водорода в реакции участвуют, что говорит о большой тепловой способности. Но, упругость паров у бутана ниже, что не позволяет применять его при отрицательной температуре.

Также интерес представляет пропан-бутановая смесь. СУГ используют в быту и коммунальной сфере. В российских климатических условиях бесперебойное функционирование резервуарных установок невозможно обеспечить, если бутана в смеси содержится более 60%.

Внешний вид и свойства

Внешне такой газ выглядит как бесцветная жидкость, не имеющая запаха. Он не агрессивен, т.е. не приводит к коррозии. Плотность СПГ меньше вдвое плотности воды. В жидком состоянии он не горюч и не токсичен.

Важно: Чтобы довести субстанцию до исходного состояния, перед использованием газ сжиженный подвергают испарению без доступа кислорода (воздуха). Во время сгорания выделяются диоксид углерода (углекислый газ) и парводяной.

СПГ очень быстро испаряется, не оставляя на почве и воде никаких следов.

Основные технические характеристики

Температура кипения лежит в пределах 158-163 градуса Цельсия. Плотность газа различна на разных месторождениях. Она лежит в диапазоне 430-470 кг/м³. Кроме этого, она определяется давлением в месте проведения ее расчета, и температурой. Поэтому, переводя тонны газа в кубометры, говорят «примерно», т.е. 1 тонна СПГ равна примерно 1,38 тысячам метров кубических.

Стандартные значения этих параметров установлены Национальным институтом NISN. Для температуры – это 20 градусов Цельсия (293,15 К), для давления – 1 атмосфера (101,325 кПа).

Компонентный состав

На 75-99 процентов его составляет метан. Помимо него в составе присутствуют: этан,сероводород, пропан и др. Плотность компонентов отличается значительно:

• у пропана она равна 1,872 кг/м³;
• у этана — 1,263 кг/м³;
• у метана – 0,668 кг/м³.

Экологическое топливо

Сжиженный газ имеет достаточно большое октановое число и отличается высокими энергетическими показателями, что позволяет его использовать для заправки автомобилей. Не нанося вред экологии, использование этого топлива уменьшает расход масла и износ двигателя. Цена его ниже стоимости бензина. К тому же, сжиженные газы безопасны, а заправка производится на специализированных заправочных станциях. Это объясняет, почему его считают более экономичным топливом, чем бензин.

Технология получения СПГ

Сжижение газа происходит в несколько ступеней, на которых его сжимают в 5-12 раз, охлаждают и передают дальше.

На первом этапе из природного газа необходимо удалить воду, чтобы холодильное оборудование обезопасить от ее агрессивного воздействия, а также водород, а также гелий, соединения серы, азот и прочие примеси, для чего применяют абсорбционную глубокую очистку, пропуская смесь через молекулярное сито.

Далее следует второй этап, заключающийся в удалении из смеси тяжелых углеводородов. В результате фракционирования остается газ, в котором находятся только метан и этан (или бутан и пропан). Полученная фракция содержит менее 5% примесей.

На последней ступени процесса как раз и происходит сжижение охлажденного газа. Процесс достаточно энергозатратный: энергии требуется до 25% от общего количества.

На современных производствах используют 2 технологических процесса:

• компримирование, т.е. проходящее при постоянном давлении конденсирование. Недостатком является большая энергоемкость, из-за чего способ считается малоэффективным;
• метод на основе теплообменных процессов, т.е. рефрижераторный, предусматривающий использование охладителя, а также турбодетандерный, называемый также дросселированием. Он позволяет при быстром расширении газа получать нужную температуру. К минусам метода относят невысокий коэффициент ожижения – на уровне 4%, что требует многократной перегонки. Повысить его до 14% удается, применяя компрессорно-детандерную схему.

Использование термодинамических схем дает возможность эффективность довести до 100%:

• применение цикла каскадного снижения температуры кипения. Хладагентами на разных стадиях выступают: пропан, азот, этан, метан, очищенная или морская вода, воздух;
• цикл, использующий одновременно 2 хладагента –этан с метаном;
• использование расширительных циклов в технологии сжижения.

На современном рынке лидируют несколько таких технологий:

• до 82% общего рынка принадлежит технологиям AP-C3MR™, AP-SMR™ и AP-X™, которые используют для получения значительных объемов СПГ;
• Optimized Cascade, разработчиком которой является ConocoPhillips;
• на производствах (для внутреннего использования) применяют компактные установки GTL;
• для получения СПГ, участвующего в производстве ГМТ (топлива газомоторного) широко пользуются локальными установками;
• FLNG – использование морских танкеров и судов с установками сжижения газа. Это позволяет иметь доступ к месторождениям, которые для газопроводной инфраструктуры недоступны;
• применение плавающих платформ СПГ (пример – строящаяся в 25-километровой зоне в Австралии компанией Shell).

Оборудование, необходимое для производства СПГ

• установка, применяемая для очистки исходного сырья и сжижения;
• технологическая линия;
• емкости для хранения сжиженного газа (криоцистерны);
• газовозы для загрузки танкеров.

Транспортировка

На данное время к потребителю сжиженный газ доставляется одним из способов:

• морскими крупногабаритными танкерами-газовозами, оборудованными установками, поддерживающими низкую температуру, и имеющими толсты теплоизоляционный слой;
• спецавтотранспортом (по суше);
• железной дорогой (в вагонах-цистернах);
• по газопроводу (предварительно проводят регазификацию, т.е. доведение до состояния газообразного).

Производители

Основными странами, производящими сжиженный газ, являются по данным на 2009 год:

• Катар – объем достигает почти 50 млрд м³;
• Малайзия и Индонезия – соответственно 29,5 и 25 млрд. кубов;
• Австралия и Алжир – 24 и 21 млрд м³.

Среди импортеров СПГ первое место занимает Япония. Также газ закупают: Испания, США, Франция, Индия.

В России также имеются 2 действующих завода. Один из них — запущенный в 2009 году проект Сахалин-2. Контрольным пакетом владеет Газпром Совладельцами являются: 27,5% Shell, 12,5Mitsui, 10% — Mitsubishi.По итогам 2015 года годовое производство достигло 10,8 миллионов тонн, что больше проектной мощности на 1,2 млн тонн. К сожалению,из-за падения цен на мировом рынке экспорт в последние годы заметно снизился.

Другим значимым игроком в России является компания Новатэк (Ямал-СПГ).

Не остались в стороне и американцы: они в эксплуатацию ввели 5 терминалов для экспорта СПГ, общая мощность которых составляет 57,8 млрд. т/год. Понятно, почему между этими странами не первый год имеется жесткое противостояние.

Сферы применения

Помимо того, что сжиженный газ (марка ПБА, применяемая при температуре воздуха не ниже -20 градусов, и ПА) используют в автомобильной сфере, как топливо более экономичное, безопасное, дешевое и не приносящие вреда экологии, оно используется в отопительных системах, в промышленности (как источник тепла и холода в металлообработке, обработке керамики и стекла), для нужд бытовых и коммунальных (марки БТ, ПБТ, ПТ).

Главными игроками в сегменте топлива являются бутан, метан и пропан, которые объединяют такие показатели:

• отсутствующий запах. Напротив, такому топливу придают для быстрого обнаружения утечки ароматический маркер;
• безопасность, т.е. устойчивость к возможному возгоранию, которое происходит при температуре плюс 429 градусов (бутан), при 466 (бутан) и при 537 (метан). Для сравнения ДТ и бензин воспламеняются при достижении отметки в 250-300 градусов;
• сгорание полное, благодаря чему сводится к минимуму вред от выбросов в окружающее пространство;
• минимальный нагар, позволяющий продлить срок службы поршневых цилиндров, свечей и камеры сгорания двигателя;
• большое октановое число: 110 у метана и 100 у смеси пропан-бутановой. Нужно отметить, что применять смеси можно в различных климатических зонах, но с учетом того, что они в сжиженном состоянии не морозоустойчивы, зато невосприимчивы к зонам с жарким климатом: эти составляющие в смеси дополняют друг друга и образуют субстанцию достаточно стабильную. В отличие о них, пропан на высокую температуру реагирует, что приводит к тому, что в баллонах, где он хранится, повышается давление.

Важно: На заправочных станциях продают разные смеси для разных сезонов, которые отличаются процентным составом газовых смесей: в летней, например, бутана должно быть 60%, в зимней – 40.

С требованиями, касающимися сжиженных углеводородных газов, можно ознакомиться в ГОСТ 27578-2018.

Преимущества

• Удобство хранения энергоносителя (за счет большой плотности газа сжиженного), доставки и потребления. Хранится жидкость криогенная нетоксичная при минус 162 градусах Цельсия. Для больших объемов используют наземные емкости, где она находится под атмосферным давлением;
• Перевозки межконтинентальные, для которых используют танкеры-газовозы, автоцистерны или железнодорожные цистерны;
• Открывает возможность газификации удаленных на значительные расстояния от газовых магистралей, объектов. Отпадает необходимость строительства дорогостоящих трубопроводов.

Выводы

Для сжижения газа разработано несколько технологий: свои — для метана и для бутана. Получение СУГ менее затратное, а в хранении и перевозке он проще, чем СПГ. Получение последнего более сложно и затратно, а к этому добавляется регазификация, для которой требуется специальное оборудование. Метан на данный момент востребован больше, поэтому сжижают его в объемах намного больших.

Источник https://avtonov.info/szizennj-prirodny-gaz-lng

Источник https://www.petrolplus.ru/article/toplivo-sug/

Источник https://centr-fuel.ru/poleznye-stati/szhizhennyj-gaz.html