Gaz ziemny zawiera domieszki innych składników gazowych, w tym tlenku i dwutlenku węgla, siarkowodoru, azotu, wodoru, helu i argonu. Gaz ziemny suchy pozyskiwany jest ze złóż samodzielnych, natomiast ze skojarzonych złóż ropy naftowej i gazu oraz ze złóż kondensatowych odzyskiwany jest gaz ziemny mokry i zasobny w wyższe, ciekłe węglowodory. Równorzędnie z gazem ziemnym traktowane są gazy metanowe towarzyszące złożom węgla kamiennego. Skład gazu ziemnego pochodzącego z różnych źródeł może podlegać dużym wahaniom, stąd technologia jego oczyszczania i skraplania musi być dostosowana do składu eksploatowanego złoża.
Gaz ziemny w Polsce i na świecie
Gaz ziemny jest drugim po ropie naftowej źródłem energii i jego globalny udział w zużyciu energii pierwotnej wyniósł w 2005 roku 23,5 %, przy równym 36,4 % udziale ropy naftowej, 27,8 % - węgla, 6,3 % - hydro energii oraz 5,9% - energii atomowej. Światowe zasoby gazu ziemnego oszacowane w 2005 roku wynosiły około 180.000 miliardów m3. Roczne światowe wydobycie wynosi około 2800 mld m3 i wzrasta rocznie o około 2,5 %. Gaz ziemny pod względem emisji gazów cieplarnianych jest paliwem najczystszym, ze względu na duży udział wodoru w procesach spalania. W Polsce złoża gazu ziemnego występują na Niżu Polskim oraz na Przedgórzu Karpackim i w Karpatach. Gazy ze złóż na Niżu Polskim są niskiej jakości i zawierają od 35 do 80% metanu. Udział azotu w tych gazach może być bardzo wysoki i są one silnie zasiarczone, przez co wymagają oczyszczania i odazotowania. W niektórych złożach gazu ziemnego udział azotu sięga 97% i są one planowane jako surowiec do produkcji ciekłego azotu. Niektóre ze złóż zawierają domieszkę helu, którego odzysk jest ekonomicznie uzasadniony, jeżeli jego udział objętościowy w gazie przekracza 0,2%. Gaz ziemny ze złóż karpackich i Przedgórza Karpackiego jest lepszej jakości, o udziale metanu wynoszącym 70 - 99% i charakteryzuje się niską zawartością azotu. Zasoby wydobywane gazu ziemnego w Polsce szacuje się na około 150 mld m3, a zasoby prognostyczne na 650 mld m3. Uzupełnieniem zasobów gazu ziemnego są zasoby metanu towarzyszące górnośląskim złożom węgla kamiennego i szacowane na ponad 350 mld m3. Przykładowe składy gazu ziemnego pochodzącego ze złóż podkarpackich podano w tabeli 1.
Na czym polega wstępna obróbka gazu ziemnego?
Wstępna obróbka gazu ziemnego polega na jego odwodnieniu, usunięciu CO2 oraz H2S, ewentualnym usunięciu rtęci i odazotowaniu. Tak przygotowany gaz ziemny może być następnie tłoczony do sieci rurociągów lub skraplany.
Właściwości skroplonego gazu ziemnego
Skroplony gaz ziemny jest cieczą bez zapachu o temperaturze wynoszącej około 111 K i przechowywaną pod ciśnieniem równym od 0,17 MPa do 1,7 MPa. Gęstość skroplonego gazu ziemnego wynosi około 450 kg/m3. Jest on pozbawiony zapachu, jest nietoksyczny i nie powoduje korozji. W procesie skraplania objętość gazu zmniejsza się około 600 razy co powoduje, że może być transportowany na duże odległości poza siecią rurociągów. Skraplaniu podlega około 10% wydobywanego gazu ziemnego. W tej postaci eksportuje się prawie 30% całego gazu będącego w międzynarodowym obrocie handlowym. Np. 100% gazu ziemnego zużywanego w Japonii jest dostarczane do tego kraju w postaci ciekłej. W postaci skroplonej gaz ziemny charakteryzuje się gęstością energii wynoszącą około 55 TJ/tonę i jest ona o 31% większa od gęstości energii ropy naftowej wynoszącej około 41,9 TJ/tonę.
Instalacje skraplania gazu ziemnego
Duże instalacje skraplania gazu ziemnego charakteryzują się wydajnościami przekraczającymi 5 mln ton rocznie. Największa z instalacji obecnie budowanych w Katarze będzie skraplała 8 mln ton tego gazu rocznie. Przewiduje się, że w roku 2007 na świecie skroplone zostanie łącznie około 200 mln ton gazu ziemnego. Uruchamiane są również lokalne instalacje skraplania gazu ziemnego, czerpiące surowiec z odwiertów o niewielkich wydajnościach lub rurociągów. Wydajność takich instalacji z reguły nie przekracza 100 ton ciekłego gazu na dobę, a ich celem jest magazynowanie chwilowych nadwyżek gazu ziemnego oraz eksploatacja rozproszonych odwiertów o niewielkich wydajnościach bez konieczności budowania sieci rurociągów przesyłowych.
Jak się skrapla gaz ziemny?
Skroplenie gazu ziemnego wymaga odebrania od niego ciepła w całym zakresie temperatur od temperatury otoczenia do około 100 K. W zależności od składu skraplanego gazu ziemnego ilość odebranego ciepła wynosi od 600 do 650 kJ/m3 (dla czystego metanu wynosi ona 912,7 kJ/kg, co odpowiada 654 kJ/m3). Ponieważ gaz ziemny po oczyszczeniu pozostaje mieszaniną węglowodorów z domieszkami innych gazów, jego skraplanie odbywa się przy zmiennej temperaturze. Zakresy temperatur, w których odbywa się przemiana fazowa gazu ziemnego są tym większe im niższe jest ciśnienie skraplania i mogą dochodzić do kilkudziesięciu K.
Przykładową zależność skumulowanego ciepła odebranego od gazu w trakcie jego schładzania i skraplania pokazano na rysunku 1.
W najprostszy sposób gaz ziemny może zostać skroplony w jednostopniowej chłodziarce Joule-Thomsona lub Braytona przedstawionych na rysunku 3. Czynnikiem roboczym chłodziarek może być metan lub azot. Gaz ziemny przepływa przez wymiennik ciepła, gdzie ulega ochłodzeniu od temperatury otoczenia i następnie skropleniu. Wymiennik ciepła jest równocześnie rekuperatorem chłodziarki i stanowi podstawowy element skraplarki gazu. Wadą układu przedstawionego na tym rysunku jest duża różnica temperatur pomiędzy parującym metanem lub azotem, a ochładzanym gazem ziemnym, decydująca o niskiej efektywności termodynamicznej procesu. Poprawę efektywności można uzyskać przez zastąpienie czystego gazu mieszaniną azotu, metanu i etanu.
Skraplanie gazu ziemnego może odbywać się w układach kaskadowych z użyciem trzech czystych czynników: propanu, etylenu i propanu - rysunek 5. W układach takich moc chłodnicza jest wytwarzana na trzech poziomach temperatury i występują znacznie mniejsze różnice temperatur pomiędzy skraplanym gazem i parującymi czynnikami chłodniczymi niż w przypadku układu jednostopniowego przedstawionego na rysunku 3.
Transport skroplonego gazu ziemnego odbywa się cysternami lub statkami, przy czym pojemność największych tankowców wynosi około 140.000 m. Gaz jest magazynowany w zbiornikach naziemnych lub podziemnych o płaskich dnach, izolowanych proszkowo, o pojemnościach dochodzących do 200.000 m.
LITERATURA:
[1] Bilans gospodarki surowcami mineralnymi Polski i Świata, pod redakcją Bolewskiego A, Neya R, Sma-kowskiego T., Polska Akademia Nauk, Kraków 2000 [2] Chorowski M.: Analiza porównawcza chłodziarek Linde -Hampsona zasilanych czynnikami o różnych własnościach, Inst. Techniki Cieplnej mi Mechaniki Płynów, Raport 11/90, Wrocław, 1990 [3] Chorowski M.: Comparative Exergetic Analysis of Jou-le-Thomson Liquefi ers, Adv. in Cryogenic Eng., Vol. 49, AIP Press, 2004, pp. 1568-1575. [4] Chorowski M., Piotrowska A., Poliński J.: Nitrogen se-paration and liquefaction apparatus for medical applica-tions and its thermodynamic optimization, Advances in Cryogenic Engineering, ed. Weisedn J.G. II, American Inst. ofPhysics, 2006, s. 573-580
Maciej Chorowski
02/2007