LNG - Właściwości
Czym jest LNG
LNG (Liquefied Natural Gas) czyli skroplony gaz ziemny (naturalny).
Po pierwsze trzeba pamiętać o różnicy pomiędzy Gazem Naturalnym, Skompresowanym Gazem Naturalnym (CNG) oraz Skroplonym Gazem Naturalnym (LNG). Różnice są w stopniu oczyszczenia i stanie skupienia.
LNG jest oczyszczonym gazem ziemnym (naturalnym) utrzymywanym w takiej temperaturze i pod takim ciśnieniem aby był poniżej punktu krytycznego i zachował ciekły stan skupienia. Im wyższe jest ciśnienie, tym wyższa jest temperatura w jakiej stan ten jest możliwy. Przy ciśnieniu atmosferycznym punkt wrzenia LNG wynosi około -162°C.
Z czego się składa LNG
Głównymi składnikami LNG są metan ok 94%, etan ok 5.5% oraz pozostałe gazy jak propan, iso-butan, n-butan, iso-pentan, n-pentan, hexany oraz azot. Przy czym istnieją spore różnice w proporcjach składników LNG w zależności od regionu i metod wytwarzania.
Przykładowe wartości podane są w tabeli poniżej a dokładniejsze dane w plikach do pobrania.
| Wartość | USA | Norwegia | Egipt | Katar | Nigeria | Australia |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Temperatura °C | -159.4 | -161.9 | -159.5 | -159.9 | -158.9 | -158.8 |
| Metan Mol % | 94.09 | 92.23 | 97.47 | 93.45 | 91.45 | 86.69 |
| Etan Mol % | 5.39 | 5.37 | 1.84 | 6.22 | 5.65 | 12.66 |
| Propan Mol % | 0.33 | 1.26 | 0.38 | 0.02 | 2.13 | 0.49 |
| I-Butan Mol % | 0.04 | 0.12 | 0.18 | 0.00 | 0.36 | 0.01 |
| N-Butan Mol % | 0.04 | 0.28 | 0.07 | 0.00 | 0.32 | 0.00 |
| Pentany i cięższe Mol % | 0.00 | 0.02 | 0.04 | 0.00 | 0.06 | 0.00 |
| Azot Mol % | 0.11 | 0.71 | 0.01 | 0.31 | 0.04 | 0.15 |
Jak i dlaczego powstaje LNG
Gaz ziemny po oczyszczeniu z zanieczyszczeń, które mogłyby zamarznąć w niskich temperaturach (np. woda, benzen), lub które mają jeszcze niższe temperatury skraplania niż metan (azot, hel), lub są korozyjne i mogłyby zniszczyć urządzenia będące w kontakcie (siarkowodór, dwutlenek węgla) jest schładzany i doprowadzany do stanu cieczy do celów transportowych oraz przechowywania.
Współczynnik kompresji pomiędzy gazem a cieczą wynosi ok 630. Oznacza to, że 630 litrów gazu można zamienić na 1 litr cieczy a to przynosi ogromne oszczędności podczas przewożenia i magazynowania.
Instalacja do produkcji LNG tzw 'LNG train’ może korzystać z szeregu różnych metod oczyszczania i schładzania. Każdy z takich 'pociągów’ jest niezależną jednostką mogącą działać niezależnie i wraz z rozbudową instaluje się kolejne jednostki równolegle. Dzięki temu zaburzenia pracy jednego systemu nie wpływają na inne.
Istnieje kilka procesów skraplania dostępnych dla dużych instalacji LNG :
– AP-C3MR – zaprojektowany przez Air Products & Chemicals, Inc. (APCI)
– Kaskadowy – zaprojektowany przez ConocoPhillips
– AP-X – zaprojektowany przez Air Products & Chemicals, Inc. (APCI)
– AP-SMR (Single Mixed Refrigerant) – zaprojektowany przez Air Products & Chemicals, Inc. (APCI)
– AP-N (Nitrogen Refrigerant) – zaprojektowany przez Air Products & Chemicals, Inc. (APCI)
– MFC (Mixed Fluid Cascade) – projekt Linde
– PRICO (SMR) – zaprojektowany przez Black & Veatch
– AP-DMR (Dual Mixed Refrigerant) – zaprojektowany przez Air Products & Chemicals, Inc. (APCI)
– Liquefin – zaprojektowany przez Air Liquide
Jak się przechowuje LNG
Aby przechowywać LNG potrzebne są odpowiednie materiały wytrzymujące bardzo niskie temperatury do -163° Materiałami takimi są nierdzewna stal niskowęglowa, stopy aluminium czy inwar. Inwar jest stopem żelaza 64% i niklu 36% z niewielkim dodatkiem chromu. Poza wytrzymałością inwaru na niskie temperatury charakteryzuje się również małą rozszerzalnością cieplną. Teoretycznie istnieje też możliwość przechowywania LNG pod bardzo wysokimi ciśnieniami w wyższej temperaturze, jednak w praktyce nie jest ona wykorzystywana ze względów bezpieczeństwa oraz grubość i ciężar wymaganych konstrukcji. Trzeba też pamiętać, że temperatura krytyczna dla głównego składnika LNG, metanu, wynosi -82.5°C a ciśnienie krytyczne 45.9 bara. Po przekroczeniu tych wartości skroplenie nie będzie możliwe. Nie istnieje więc możliwość przechowywania LNG w temperaturze otoczenia.
Kolejnym ważnym elementem jest izolacja zbiorników. Ze względu na niskie temperatury przechowywania, nawet najmniejszy przepływ ciepła do cieczy powoduje przyspieszenie jej parowania i wzrost ciśnienia. Obecnie pracuje się nad szeregiem nowoczesnych materiałów izolacyjnych. W użyciu przeważają wciąż perlit umieszczony pomiędzy płytami sklejki, piany poliuretanowe lub polistyrenowe i wełna mineralna.
Perlit jest minerałem pochodzenia wulkanicznego, który tworzył się w wyniku szybkiego stygnięcia lawy w środowisku wodnym i jest produktem naturalnym. Wełna mineralna charakteryzuje się natomiast lepszymi właściwościami izolacyjnymi, ale jest droższa. Najmniejszą przewodność cieplną mają piany, szczególnie poliuretanowe. Wybór typu izolacji zależy od konstrukcji zbiorników, zakładanego współczynnika odparowania i stosunku potrzeb do ceny.
Ze względów bezpieczeństwa, aby chronić elementy konstrukcyjne statków w przypadku wycieku LNG, stosuje się drugą barierę. Czasem jest ona pełna i nie różni się od zbiornika podstawowego, czasem jest wykonana z innych materiałów, czasem jest też tylko częściowa i obejmuje dół zbiornika.
Jakie właściwości ma LNG
LNG jest stabilnym związkiem, nie jest specjalnie reaktywny i wchodzi w reakcje tylko z silnymi utleniaczami.
LNG ma ciężar ok. 0,43mt/m3 w temperaturze ok -160°C. Czyli 1 metr sześcienny LNG waży 0,43 tony.
LNG nie jest palny w formie skroplonej. Palny staje się jako gaz wymieszany z powietrzem w proporcjach od 4.5% do 16%. Czyli jeśli jego koncentracja w powietrzu wynosi poniżej lub powyżej granic, nie zapali się.
Gęstość energii LNG (ilość energii znajdującej się w określonej objętości lub masie) jest 10% mniejsza od LPG, 33% mniejsza od benzyny i 41% mniejsza od ropy naftowej.
Spalanie LNG po re-gazyfikacji jest czyste i charakteryzuje się małym współczynnikiem emisji CO2 na jednostkę energii. Jest ona o 30% mniejsza od spalania ropy naftowej i 45% mniejsza od spalania węgla.
Czas półtrwania gazu w powietrzu wynosi około 6ciu lat.
LNG jest bezwonny. Zapach gazu jaki można kojarzyć z kuchenek lub stacji napełniania aut na CNG wynika z dodatków, które się wprowadza w celach bezpieczeństwa.
| Parametr | Wartość |
| Wygląd | Bezbarwna ciecz |
| Zapach | Bez zapachu |
| Próg zapachu | Brak dostępnych danych |
| pH | Nie oznacza się |
| Temperatura topnienia | -187°C |
| Temperatura krzepnięcia | -182°C |
| Początkowa temperatura wrzenia (pod ciśnieniem 1 atm) (dla metanu) | -161.5°C |
| Temperatura zapłonu (dla metanu) | -188°C |
| Szybkość parowania | Brak dostępnych danych |
| Palność | Skrajnie łatwopalny gaz |
| Dolna granica wybuchowości (dla metanu) | 4.4-5.35 % objętości |
| Górna granica wybuchowości (dla metanu) | 14.85-16.0 % objętości |
| Prężność par | 5800hPa (20 °C) |
| Gęstość par | 1.5 (-162ºC), 1 (-112ºC), 0,55 (21 ºC) (powietrze=1) |
| Gęstość względna | 0.554 (woda = 1) (1 atm, 21.1°C) |
| Ciężar właściwy cieczy w temperaturze -161°C | 0.422 |
| Gęstość względna w stosunku do powietrza | Około 0.5-0.7 – gaz lżejszy od powietrza |
| Rozpuszczalność w wodzie | Poniżej 3,5% objętości. Praktycznie nierozpuszczalna w wodzie |
| Rozpuszczalność w innych związkach | Rozpuszczalny w rozpuszczalnikach organicznych (np. w benzenie, tetrachlorku węgla, chloroformie) |
| Współczynnik podziału | n-oktanol/woda 1.09 (dla metanu) |
| Temperatura samozapłonu | 537 °C |
| Masa molowa (dla metanu) | 16.04 |
| Ciepło ukryte parowania | 510 kJ/kg w temperaturze -161C |
| Temperatura rozkładu | Brak dostępnych danych |
| Lepkość | Produkt w temperaturze pokojowej jest gazem |
| Właściwości wybuchowe | Pary gazu tworzą mieszaninę wybuchową z powietrzem |
| Właściwości utleniające | Nie występują |
| Minimalna energia zapłonu | Emin=0.25 mJ (dla metanu) |
| Reaktywność | Brak reaktywności. |
| Stabilność chemiczna | W normalnych warunkach stosowania i magazynowania substancja stabilna. |
| Możliwość występowania niebezpiecznych reakcji | Pary substancji mogą tworzyć mieszaniny wybuchowe z powietrzem. Możliwość wybuchu w przypadku narażenia na działanie wysokich temperatur. |
| Warunki, których należy unikać | Wysoka temperatura, źródła zapłonu Kontakt substancji z ogniem lub powierzchniami o temperaturze o wysokiej temperaturze może spowodować jego rozkład połączony z emisją toksycznych gazów. |
| Materiały niezgodne | Silne utleniacze |
| Niebezpieczne produkty rozkładu | Brak |
Jak wykorzystywany jest LNG
LNG, czyli skroplony gaz, wykorzystywany jest do transportu i przechowywania, natomiast komercyjne jego wykorzystanie jest po re-gazyfikacji.
Przestaje on wtedy jednak być skroplonym, więc nazwa LNG nie jest wówczas do końca poprawna. Często jednak występuje mieszanie pojęć naturalnego gazu w formie skroplonej z tym samym produktem po odparowaniu w formie gazowej.
Gaz naturalny, czy to pochodzący ze złóż towarzyszących złożom ropy naftowej, czy to zamknięty w szczelinach pomiędzy skałami łupkowymi, po wydobyciu jest oczyszczany, skraplany, transportowany, magazynowany a następnie odparowywany ponownie.
Wtedy może on służyć do produkcji prądu w elektrowniach gazowych, które stanowią alternatywę dla elektrowni atomowych, może być też wykorzystany w fabrykach wymagających wytwarzania ciepła np. hutach, lub w elektrociepłowniach. Służy też do ogrzewania domów i przygotowywania posiłków.
Coraz większą jednak rolę odgrywa w transporcie. Zarówno w drogowym po jego skompresowaniu jako CNG (Compressed Natural Gas), kolejowym jak i morskim.
Po wprowadzeniu restrykcyjnych norm emisji spalin i siarki, stanowi alternatywne źródło napędu wraz z wodorem, amoniakiem, etanem, etanolem czy też LPG .
Czy LNG jest bezpieczny
LNG nie jest żrący, drażniący, toksyczny, uczulający, mutagenny, rakotwórczy ani korozyjny.
Głównym zagrożeniem przy jego wycieku jest zamartwica, czyli niewydolność oddechowa i krążeniowa spowodowana brakiem tlenu, poprzez wyparcie tlenu parującym LNG.
Gaz działa dusząco, przy inhalacji mogą wystąpić uczucie senności, uczucie duszności, przyspieszenie oddechu, trudności z oddychaniem, bóle i zawroty głowy, przy wysokich stężeniach gazu zaburzenia orientacji, wymioty, utrata przytomności.
Niebezpieczny jest również kontakt z niską temperaturą , tzw. zimne oparzenie.
Pary odparowującego gazu mają bardzo niską temperaturę i mogą spowodować uszkodzenia kriogeniczne skóry, oczu, błon śluzowych, układu oddechowego, ogólne wychłodzenie organizmu.
Należy pamiętać aby nie dotykać zbiorników i rurociągów transportujących LNG gdyż poza odmrożeniem może nastąpić przyklejenie do materiału.
Przy obsłudze urządzeń LNG powinno się ubierać odzież ochronną o właściwościach chroniących przed niskimi temperaturami.
Podczas wycieku należy używać aparatów tlenowych, gdyż maski z filtrami pochłaniającymi np. AX nie chronią przed wyparciem tlenu.
Podczas gaszenia pożaru LNG najpierw należy znaleźć i odciąć źródło przecieku. Inaczej może nastąpić ponowny i gwałtowny zapłon. Do gaszenia pożaru LNG używa się proszku gaśniczego (DP) lub dwutlenku węgla (CO2).
Czy LNG jest przyjazny dla środowiska
Wbrew pozorom LNG nie jest całkowicie przyjazny dla środowiska.
Jeśli gaz powstały po odparowaniu LNG wydostanie się do środowiska przed spaleniem, przyczynia się do wzrostu globalnego ocieplenia. Ma on 25 razy większy potencjał cieplarniany na przestrzeni 100 lat niż dwutlenek węgla. Przyczynia się też do powstawania szkodliwego i toksycznego ozonu troposferycznego, którego nie należy mylić z ozonem stratosferycznym, który chroni nas przed promieniowaniem nadfioletowym z kosmosu.
Zaletą LNG jest jednak czystość spalania, która znacznie przewyższa węgiel, ropę lub benzynę. LNG nie zawiera innych szkodliwych dodatków jak ołów, siarka czy rtęć. Dlatego uważany jest za czyste i ekologiczne paliwo.