Все они основаны на процессах сжатия и/или теплообмена. Сжижение происходит на заводе в несколько этапов, в ходе которых газ постепенно сжимается и охлаждается до температуры перехода в жидкую фазу.
Сжиженный природный газ (LNG) как автомобильное топливо
Сжиженный природный газ (СПГ) — это природный газ, охлажденный до температуры сжижения. СПГ — это бесцветная, не имеющая запаха, нетоксичная и некорродирующая жидкость. Кроме того, этот газ не самовоспламеняется, что является преимуществом с точки зрения безопасности. В жидком состоянии газ занимает гораздо меньший объем. Один и тот же объем сжиженного природного газа и природного газа отличается в 600 раз. Чтобы понять разницу, сравните надувной пляжный мяч и мяч для настольного тенниса.
Энергетический рынок огромен, и добыча природного газа растет с каждым годом. Поэтому, наряду со сжатым природным газом, жидкостями из природного газа (NGL) и GTL (газ в жидкость), СПГ будет играть все более важную роль в обозримом будущем.
Получение и хранение сжиженного природного газа
СПГ не является новой технологией — ей уже более ста лет. Он был запатентован в США в 1914 году, а первый завод был построен три года спустя. С тех пор производство СПГ неуклонно интегрировалось в нефтегазовый сектор, но только в последние годы интерес к нему возрос в связи с растущими экологическими требованиями к источникам энергии.
СПГ производится путем охлаждения природного газа, который в основном состоит из метана, до температуры сжижени я-162° по Цельсию. В процессе сжижения из газа отделяются кислород, сера, азот, углекислый газ и вода и фильтруются. Поэтому полученный продукт отличается высокой чистотой. После сжижения газ транспортируется в жидком виде и может быть регазифицирован до места назначения в специальных терминалах СПГ (регазификация).
В настоящее время существует несколько промышленных технологий сжижения природного газа, основанных на одном из двух методов: каскадном процессе или процессе Линде (разновидностью которого является процесс Клода).
В каскадном процессе газ, сжиженный при более высокой температуре, используется в жидком состоянии для охлаждения и сжижения второго газа, который находится под положительным давлением и имеет более низкую температуру сжижения. Второй сжиженный газ снова используется в третьем каскаде для охлаждения и сжижения газа, который еще труднее сжать, и так далее. Для сжижения газа достаточно трех циклов с использованием пропана, этилена и метана в качестве хладагентов.
Процесс Linde основан на эффекте Джоуля-Томсона. Предварительно охлажденный и находящийся под давлением газ проходит через теплоизолированную трубу с ограничителем (дросселем) или пористой мембраной. За ограничителем газ расширяется, что приводит к дальнейшему охлаждению. После нескольких циклов газ достигает температуры сжижения.
Сжиженный природный газ хранится под давлением от 3 до 10 бар в изолированных от вакуума газовых резервуарах. Температура хранения зависит от состава и давления газа. При атмосферном давлении температура СПГ не должна превышат ь-162°C.
Сжиженный природный газ как автомобильное топливо
Одним из основных преимуществ СПГ является снижение выбросов CO2и других парниковых газов (до 30% по сравнению с бензином и дизельным топливом), что делает его особенно востребованным в рамках общей тенденции к более экологичным энергетическим решениям. Использование СПГ также позволяет соответствовать современным строгим стандартам по выбросам вредных веществ, что невозможно при использовании других видов топлива.
СПГ (а также сжатый природный газ) значительно снижает коррозию и износ деталей двигателя по сравнению с бензином. Это происходит потому, что газ не смывает масляную пленку со стенок цилиндров во время холодного запуска. Дизельные двигатели, работающие на газе, часто достигают пробега более 800 000 км без необходимости капитального ремонта.
Молекула метана чрезвычайно стабильна, поэтому октановое число природного газа составляет от 105 до 120, что является причиной его высокой устойчивости к крекингу. Выбросы двигателей, работающих на природном газе, чище, в них меньше углерода и твердых частиц (сажи), а объемная плотность энергии сжиженного природного газа примерно в 2,4 раза больше, чем сжатого природного газа. Энергетическая плотность СПГ сравнима с пропаном и этанолом, но составляет лишь 60% от плотности дизельного топлива и 70% от плотности бензина.
Широкому коммерческому использованию СПГ препятствуют более высокие затраты на производство и необходимость хранения в дорогостоящих криогенных резервуарах. Однако по мере истощения запасов нефти и повышения экологических требований газификация автомобильного транспорта, особенно тяжелых грузовиков и автобусов, будет возрастать.
Сжиженный или сжатый газ?
Следует проводить различие между сжиженным и сжатым газом. Сжатый газ — это в основном метан, который сохраняет свое газообразное состояние практически при любом повышении температуры и давления.
Наиболее популярным среди автовладельцев является сжиженный нефтяной газ. Переоборудовать автомобиль для работы на сжиженном газе проще и дешевле, чем на сжатом газе. LPG находится в баллоне при относительно низком давлении в 16 атмосфер, в то время как высокий вакуум сжатого газа требует повышения давления в 12-15 раз. Поэтому для использования сжатого газа требуются более крупные и тяжелые баллоны с толстыми стенками. В то же время пробег автомобиля, работающего на сжатом газе с заправочной станции, составляет лишь половину от пробега автомобиля, оснащенного сжиженным газом. Однако сжатый газ также используется в качестве автомобильного топлива, поскольку запасы метана в природе очень велики, а стоимость этого топлива низка. Транспортные средства, работающие на сжатом газе, — это в основном грузовики и автобусы, используемые компаниями. Помимо дешевизны, сжатый газ имеет и другие положительные характеристики: он менее взрывоопасен, чем сжиженный газ, так как очень легкий и не скапливается в свободном пространстве в случае утечки; при сгорании сжатого газа образуются более чистые выхлопные газы; при использовании сжатого газа не нужно регулярно сливать конденсат, который образуется и неприятно пахнет.
Свойства сжиженного газа
LPG или жидкий нефтяной газ, побочный продукт переработки сырой нефти, представляет собой газ при комнатной температуре и давлении и жидкость при давлении 2 Па. Плотность жидкой фазы газа зависит от температуры, причем плотность уменьшается по мере увеличения температуры. При нормальном атмосферном давлении и температуре 15 °C плотность жидкой фазы пропана составляет 0,51 кг/л, а бутана — 0,58 кг/л. Паровая фаза пропана в 1,5 раза тяжелее воздуха, а бутана — в 2 раза. Температура кипения бензина выше температуры окружающей среды, в то время как жидкий газ испаряется при более низких температурах. Это означает, что бензин в баке обычно находится в жидком состоянии при атмосферном давлении, в то время как сжиженный газ в газовом баллоне находится под давлением, равным температуре окружающей среды.
Категории жидкого газа
Существует два типа сжиженного нефтяного газа (LPG): PA — автомобильный пропан и PBA — автомобильный пропан-бутан.
Марка газа PBA подходит для использования во всех климатических регионах, где температура воздуха не опускается ниж е-20°C. Марка PA используется зимой в климатических регионах, где температура воздуха опускается ниж е-20°C (рекомендуемый диапазо н-20°C…-25°C). Пропан остается жидким при температуре ниж е-42°C, в то время как для бутана эта температура составляе т-0,5°C. Весной его можно использовать для полного сброса сжиженного газа ПА при температуре до 10°C. Повышение температуры может привести к нежелательному повышению давления в системе газоснабжения автомобиля и вызвать падение давления.
Преимущества сжиженного газа
Октановое число
Октановое число топливного газа выше, чем у бензина, поэтому детонационная стойкость СНГ выше, чем у бензина даже высшего сорта. Это делает топливо более экономичным для использования в двигателях с более высокой степенью сжатия. Среднее октановое число сжиженного газа составляет 105, что недостижимо для бензина. Однако скорость сгорания бензина несколько ниже, чем у бензина. Это снижает нагрузку на стенки цилиндра, поршневой блок и коленчатый вал, поэтому двигатель работает плавно и тихо.
Диффузия
Газ более равномерно смешивается с воздухом и заполняет цилиндры однородной смесью, благодаря чему двигатель работает более равномерно и тихо. Газовая смесь сгорает полностью, поэтому на поршнях, клапанах и свечах зажигания не откладывается нагар. Газовая смесь не смывает масляную пленку со стенок цилиндров и не смешивается с маслом в картере, поэтому она не влияет на смазывающие свойства масла. В результате цилиндры и поршни изнашиваются меньше.
Давление в баллоне
LPG отличается от других видов топлива тем, что над жидкой фазой находится паровая. При наполнении баллона первые объемы сжиженного газа быстро испаряются и заполняют весь объем баллона. Давление в баллоне зависит от давления насыщенных паров, которое, в свою очередь, зависит от температуры жидкой фазы и процентного содержания в ней пропана и бутана. Давление насыщенных паров характеризует летучесть ГВГ. Летучесть пропана выше, чем у бутана, поэтому давление паров значительно выше при минусовой температуре.
Выхлоп
При сгорании выделяется меньше оксидов углерода и азота и несгоревших углеводородов, чем при сгорании бензина или дизельного топлива, при этом отсутствуют ароматические углеводороды и диоксид серы.
Примеси
Высококачественное газообразное топливо не содержит химических примесей, таких как сера, свинец или щелочи, которые повышают коррозионные свойства топлива и повреждают детали камеры сгорания, систему впрыска, лямбда-зонд (зонд, определяющий содержание кислорода в смеси) и двигатель.
