Криогаз как газовое топливо¶
Криогаз — общее название горючих газов, хранимых и транспортируемых в сжиженном (криогенном) состоянии при сверхнизких температурах, а также собирательное обозначение технологий и оборудования для производства, хранения и использования таких газов. В узком смысле под криогазом чаще всего понимают сжиженный природный газ (СПГ), применяемый как моторное топливо, а также сжиженный метан, используемый в промышленности и на транспорте. Термин объединяет физико-химические свойства сжиженных газов, способы их получения и области применения.
¶Общие сведения
Криогенными называют газы, которые для перехода в жидкое состояние требуют охлаждения до температур ниже примерно −100 °C. К ним относятся метан, азот, кислород, аргон, водород, гелий и ряд других. Как топливо практическое значение имеют прежде всего сжиженный метан (природный газ) и сжиженный углеводородный газ (пропан-бутановая смесь), хотя последний сжижается при обычных температурах и к криогенным строго не относится.
Ключевое свойство криогаза — резкое уменьшение объёма при сжижении. Метан в жидком состоянии занимает примерно в 600 раз меньший объём, чем в газообразном при нормальных условиях. Это делает возможным его хранение и перевозку на большие расстояния, где трубопроводный транспорт экономически невыгоден или технически невозможен.
¶Физические основы
Сжижение газа достигается охлаждением ниже критической температуры. Для метана критическая температура составляет около −82,6 °C, а температура кипения при атмосферном давлении — около −161,5 °C. Именно поэтому СПГ хранят в теплоизолированных резервуарах при криогенных температурах, часто при небольшом избыточном давлении.
Основные характеристики криогаза как топлива:
- низкая температура хранения (для метана — около −160 °C);
- высокая теплота сгорания на единицу массы;
- плотность жидкой фазы около 420–470 кг/м³;
- необходимость специальной теплоизоляции и материалов, сохраняющих работоспособность при низких температурах.
¶Способы получения
Производство сжиженного газа основано на циклах охлаждения и компримирования. Применяются несколько технологических схем:
- Дроссельные циклы (эффект Джоуля — Томсона) — простейший способ, используемый на малых установках.
- Циклы с внешним холодильным контуром — охлаждение за счёт промежуточного хладагента.
- Каскадные и смешанные циклы — применяются на крупных заводах СПГ, обеспечивают наибольшую эффективность.
Крупнотоннажные заводы по сжижению природного газа строятся вблизи месторождений и морских портов. В России действуют проекты по производству СПГ, в том числе на Ямале и в других регионах.
¶Хранение и транспортировка
Хранение криогаза осуществляется в криогенных резервуарах — изотермических ёмкостях с двойными стенками и вакуумной или порошковой изоляцией. Транспортировка возможна несколькими способами:
- морскими газовозами-метановозами с мембранными или сферическими танками;
- автомобильными криогенными цистернами;
- железнодорожными цистернами;
- по трубопроводам в сжиженном виде на короткие расстояния.
Часть груза при перевозке неизбежно испаряется — образуется так называемый отпарной газ, который либо сжигается, либо используется как топливо для двигателей судна.
¶Применение
Криогаз применяется в нескольких крупных сферах.
Энергетика и промышленность. Сжиженный газ используется для газоснабжения удалённых районов, в качестве резервного топлива и сырья для химической промышленности.
Транспорт. Сжиженный метан применяется как моторное топливо для грузовых автомобилей, автобусов, судов и железнодорожных локомотивов. Преимущества — снижение выбросов по сравнению с дизелем и нефтяными топливами, высокая энергоёмкость.
Газификация. Криогенные технологии позволяют снабжать газом объекты, не подключённые к магистральным трубопроводам, через системы приёма, хранения и регазификации.
¶Классификация
| Признак | Виды |
|---|---|
| По составу | Сжиженный природный газ (метан), сжиженный углеводородный газ, сжиженный водород |
| По назначению | Энергетический, моторный, технологический |
| По масштабу | Крупнотоннажный, среднетоннажный, малотоннажный |
| По способу доставки | Трубопроводный, морской, автомобильный, железнодорожный |
¶Преимущества и ограничения
К достоинствам криогаза относят высокую плотность энергии на единицу объёма, экологичность по сравнению с традиционными видами топлива и возможность транспортировки без трубопроводов. К ограничениям — сложность и стоимость криогенного оборудования, потери при испарении, требования к безопасности и необходимость специально подготовленного персонала.
¶Безопасность
Работа с криогазом требует соблюдения особых мер. Низкие температуры вызывают обморожения при контакте, а испаряющийся газ образует с воздухом взрывоопасные смеси. Метан не имеет запаха, поэтому для обнаружения утечек применяются одоризация или специальные датчики. Криогенные ёмкости и трубопроводы проектируются с учётом теплового расширения и хрупкости материалов при низких температурах.
¶Значение
Развитие технологий криогаза связано с расширением мировой торговли сжиженным природным газом, развитием газомоторного транспорта и газификацией удалённых территорий. Для России, обладающей крупными запасами природного газа, криогенные технологии имеют значение как для экспорта, так и для внутреннего использования, особенно в районах, где трубопроводная инфраструктура отсутствует или ограничена.
Источники: техническая документация по криогенной технике, отраслевые обзоры по сжиженному природному газу, справочники по физико-химическим свойствам газов, материалы по газомоторному топливу.