大きな化学: 液化天然ガス

May 13, 2023

私たちの最初の祖先が木を食べずに食べられるものを探して木から降りて以来、エネルギーの話題は私たちにとって最優先事項でした。 しかし、エネルギーをめぐる終わりのない闘争が、地政学的な力のおかげで、照明のスイッチやサーモスタットを指で動かす程度に抽象化されてしまった世界では、私たちの多くは今、何が必要なのかについて全く異なる見方をしながら、冬の猛威に直面している。暖かく過ごすために。

問題は必ずしも私たちが十分なエネルギーを持っていないことではなく、私たちが持っているものが均等に分配されておらず、簡単に入手できないことです。 エネルギーを生産場所から必要な場所まで移動させることは、簡単なことではなく、多くの場合、重要で興味深い工学的課題を引き起こします。 これは、天然ガスのように、小さなスペースに大きな力を詰め込まないエネルギー源に特に当てはまります。 大陸を横断するのは十分に困難です。 海を越えてそれを運ぶことは全く別の話であり、そこで液化天然ガス (LNG) が登場します。

LNG がどのように作られるのかを見始める前に、そもそもなぜ LNG が必要なのかを考えることから始めるのが最善です。 結局のところ、私たちは、天然ガスの長距離大量輸送に最適化された、信じられないほど複雑で大陸にまたがるパイプラインのインフラストラクチャを持っています。 なぜわざわざ天然ガスの液化に労力と費用を費やす必要があるのでしょうか？

一言で言えば、「海」です。 これらの広大なパイプラインネットワークはほとんど水際で止まり、海底天然ガスパイプラインは確かにいくつかありますが、最近の出来事は、それらがいかに脆弱であるかを私たちに示しています。 したがって、天然ガスを海で輸送することは、エネルギーを地点 A から地点 B に移動するために必要な手段となっています。そして、それを効率的に行うには、その量を大幅に減らす必要があります。 天然ガスを液体にすると、密度が 600 倍になり、大量輸送が可能になります。

液化天然ガスの原料は、言うまでもなく天然ガスです。 天然ガスの収穫と流通のプロセスについてはすでにかなりの量を取り上げてきましたが、簡単に説明すると、天然ガスは、地層内の古代バイオマスの崩壊から生成されるメタンやエタンなどの炭化水素の混合物です。 液体炭化水素や窒素、二酸化炭素、硫黄含有化合物、水蒸気などの汚染物質とともに、ガスは掘削によって掘削された地下貯留層に蓄積されます。

生の天然ガスは、自然の圧力下で、または巨大なコンプレッサーの助けを借りて、パイプラインを介してガスを浄化するプラントに輸送されます。 貴重な化学元素である硫黄とヘリウムを生ガスから回収することは特に重要ですが、水や CO2 などの低価値の汚染物質を天然ガスから除去することも重要です。これらはいずれも将来的に凍結の問題を引き起こす可能性があるためです。 水は、非常に吸湿性の高い溶液であるトリエチレングリコール (TEG) を通して生天然ガスをバブリングすることによって除去されます。一方、CO2 は、酸性生ガスをジエチルアミン (DEA) などの窒素含有アミン溶液にさらすアミンスクラバーを使用して除去されます。 CO2。 さらに精製して、アルミニウムやステンレス鋼にさらされても反応しない、残留する重質炭化水素や水銀などの汚染物質を除去すると、天然ガス原料は約 85% ～ 90% がメタン (CH4) となり、残りはメタン (CH4) の混合物となります。エタン (C2H6)、プロパン (C3H8)、ブタン (C4H10)。

清潔で乾燥した天然ガスは、液化の準備が整います。 ほとんどのガスと同様に、天然ガスは温度が沸点 (メタンの場合は -161.5°C) を下回ると凝縮して液体になります。 したがって、LNGを製造するには、工業規模の極低温プロセスが必要です。 現在のほとんどの LNG は、デュアルループ順冷却システムである C3MR と呼ばれるプロセスで製造されています。 「C3」は、予冷ループで冷媒として使用される炭素数 3 の化合物であるプロパンを指します。 サイクルの各半分は、規模が大きく異なりますが、基本的に他の冷蔵庫で見られるものと同じです。 予冷段階では、液体プロパンが膨張弁を通過し、これにより相変化が発生し、温度が急激に低下します。 冷却されたプロパンは熱交換器を介して天然ガスから熱を除去し、プロパンは 3 段コンプレッサーで圧縮され、熱は凝縮器を介して除去されるため、サイクルを再開できます。

予冷後の天然ガスは約 -33°C になります。冷たいですが、十分に冷えているわけではありません。 冷却されたガスは、プロパン、ペンタン、メタン、エチレンの混合物が使用される「MR」または「混合冷媒」ループに入ります。 繰り返しますが、熱サイクルはよく知られていますが、その規模はさらに巨大です。一部の MR ループで使用されるコイル型熱交換器の内部には、数千キロメートルのチューブがコイル状に巻かれており、熱交換面積は 40,000 平方メートルです。 平らなアルミニウム板の間に複数層のコルゲートフィンを挟んだプレートフィン熱交換器もあります。 プレートフィン熱交換器は、コールドボックスと呼ばれる断熱材で満たされた筐体内に設置されます。 どちらのタイプの熱交換器も、通常はトレインと呼ばれる並列アセンブリに配置され、大規模なスループットと冗長性を実現します。

MR ループの後、天然ガスは約 -160°C まで下がり、現在は無色、無臭、無毒の液体です。 ここに至るまでに投入されたエネルギーはかなりのもので、1 トンの LNG を生産するには 13 キロワットほどになります。 2021 年の時点で、世界の液化能力は年間 4 億 5,000 万トンを超えており、さらに多くの能力がまだ建設中です。

しかし、このすべての生産は、このすべての LNG を保管する場所がなければ意味がありません。 LNG の極低温の性質には、工学的な課題があります。 LNG は液体窒素や酸素ほど低温ではありませんが、依然として鋼の脆化を引き起こす可能性があるため、LNG の配管やタンクには特殊なステンレス鋼合金が使用されています。 生産と出荷の間に LNG を一時的に保管するために使用される貯蔵タンクも、慎重に設計する必要があります。 これらのタンクは、部分的に、あるいは完全に地下に建設されることがよくあります。 下層土は LNG への熱伝達を減らす断熱材を提供しますが、寒さによって地下水が凍結し、タンクの下に凍上を引き起こす可能性があります。 貯蔵タンクはまた、LNG のある程度のボイルオフを考慮する必要があり、結果として生じる天然ガスは捕獲されて通常の流通経路を通じて販売されるか、パイプでプロセスの最初に戻されて再液化されます。

LNG をある場所から別の場所に運ぶのは、専門の LNG タンカーの仕事です。このタンカーは、できるだけ多くの LNG を安全かつ効率的に輸送するために設計された巨大な船です。 船の設計はさまざまですが、LNG 船団の約 550 隻のほとんどは、甲板上に突き出た巨大な球体、いわゆる「モス タンク」を使用しています。 ほとんどの船舶には、このような厳重に断熱されたタンクが 4 つまたは 5 つ搭載されています。 球状の形状は、船体の体積全体を使用するという点ではそれほど効率的ではありませんが、貨物がスロッシングする危険性は排除されます。 船体のスペースをより完全に埋める貨物タンクを備えた、より新しい「角柱型」LNG 運搬船が設計されています。 タンクは、高ニッケルステンレス鋼または合金インバーのいずれかで作られた断熱膜で裏打ちされており、熱膨張と収縮を軽減します。 最大のタンカーは 250,000 立方メートル以上の LNG を積載できます。

貨物の危険な性質のため、LNG タンカーは安全を念頭に置いて建造する必要があります。 タンクの断熱がどれほど優れていても、輸送中に貨物のボイルオフが発生することは避けられません。 多くのタンカーがこのガスを取り出して燃料として使用します。 船舶には、漏れを検出するための広範な監視システムも備えています。 家庭や企業にパイプ輸送される天然ガスとは異なり、LNG にはメチルメルカプタン臭気物質が含まれません。 したがって、メタンセンサーは、LNG タンカーのほぼすべてのスペースに設置されています。

LNG の貨物が目的地に到着したら、使用する前にガスに戻す必要があります。 再ガス化プロセスは基本的に液化とは逆で、LNG が沸点以上まで穏やかに加熱されます。 LNG は沸点直下で輸送されるため、相転移を強制するために大きな温度変化は必要ありません。 しかし、それは単純なプロセスであるという意味ではありません。

再ガス化は、LNG タンカーを収容する目的で建設された港湾施設に隣接するプラントで行うことも、浮体式貯蔵および再ガス化ユニット (FSRU) によって行うこともできます。 FSRU は LNG タンカーに非常によく似ており、エーテルモス型の球形貯蔵タンクや角形タンクなど、多くの同じ設備を備えています。 FSRU には再ガス化プラントも装備されており、貯蔵タンクから LNG を取り出し、熱交換器を通過させ、沸騰させた天然ガスを水中パイプラインを介して海岸に送ります。 FSRU が陸上の再ガス化プラントと比較して持つ利点は多用途性です。LNG タンカーが着岸するのに好潮を待つ必要がないため、船が到着するたびに荷下ろしを行うことができます。

陸上でも浮遊でも、再ガス化のための熱はさまざまな熱源から得られます。 多くのプラントでは気化器が使用されており、巨大なファンを備えた熱交換器に周囲温度の空気を吹き付けることで LNG を加熱します。 場合によっては、熱交換器のコイルに周囲温度の水を噴霧して、熱伝達媒体として海水を使用することもあります。 周囲温度が低い場合、一部の再ガス化装置は水の入った大きなタンクにバーナーを沈めた液中燃焼気化器 (SCV) を使用します。 バーナーからの排気ガスが水を加熱し、その水がタンク内のコイルを通過する際に LNG を加熱します。 SCV は通常、出力から取り出される天然ガスによって動力を供給されます。

天然ガスが気相に戻ると、地域の流通システムに入る準備が整います。 パイプライン事業者は通常、配電システムを 30 ～ 80 バール (3,000 ～ 8,000 kPa) で稼働させるため、再ガス化プラントの出力はその仕様に一致する必要があります。 再ガス化装置からの出力ガスを圧縮するよりも、ポンプを使用して LNG 入力を加圧する方が簡単かつ効率的であることが判明しました。 パイプライン運営者は通常、顧客にリリースする前に LNG バッチの品質管理テストを行い、当然必要なメチルメルカプタン臭気剤を添加します。

LNG サプライ チェーンは非常に複雑ですが、驚くほどエネルギー効率が良いです。 エネルギーの大部分は液化と輸送に使われますが、極低温の液体を気体に戻すのに必要なエネルギーはほんのわずかです。 インフラストラクチャに関して言えば、サプライチェーンの両端には間違いなく多くのインフラがあります。 しかし、ほとんどの場合、LNG システムは化学エネルギーを長距離にわたって輸送する最も効率的な方法です。

【注目画像】モス型LNGタンカー「アークティック・プリンセス」。 出典: JoachimKohlerBremen、CC BY-SA 4.0]