天然ガス精製の包括的ガイド：方法と技術

天然ガス精製とは何か、なぜ不可欠なのか？

天然ガスの精製は、石油・ガス産業において、天然ガスを安全かつ効率的に、そして適正なコストで利用するための重要なステップである。最も広い意味での天然ガス精製とは、油井やガス田から生産される生の天然ガスから望ましくない物質を分離するプロセスを意味します。これらの不純物が除去されないと、設備の劣化を引き起こし、ガスのエネルギー含有量を低下させ、温室効果ガスの排出などの環境問題につながる可能性がある。

なぜこの工程が非常に重要なのか？まず、精製された天然ガスは、天然ガスの輸送と消費に必要なパイプラインの品質基準に適合します。また、例えば、乾燥した天然ガスをエネルギー源として利用する発電所、石油化学プラント、石油精製所などの後続プロセスとの互換性を維持するのにも役立ちます。さらに、天然ガスの精製は、特に二酸化硫黄のような酸性ガスの排出に関して厳しい法律がある米国のような国では、環境基準を満たすために不可欠である。

天然ガスは、単に技術的な要件を満たすためのプロセスではなく、天然ガスの処理を通じて、安全でクリーンかつ効率的なエネルギーを提供するプロセスである。クリーンなエネルギーへのニーズの高まりから、天然ガスは原油などの他の炭化水素よりも好まれている。しかし、そのためには、原料天然ガスに含まれる不純物を分離しなければならない。このプロセスは複雑で、高度な技術とエンジニアリングを必要とする。

天然ガス精製に使用される主要機器とその機能

天然ガスの精製には、天然ガスの流れに含まれる様々な不純物の除去を目的とした、いくつかの重要な装置の適用が必要です。これらのシステムは、天然ガスが輸送または使用される前に、安全で適切な品質であり、環境要件を満たしていることを保証するのに役立ちます。

セパレーター： 多くの場合、精製の最初のステップでは、天然ガスの流れから水や密度の高い炭化水素を含む大量の液体を取り除くために、従来の分離器が使用される。このステップは、下流の機器への損傷を防ぎ、腐食を防止するのに有効である。

アミン吸収ユニット： これらのシステムは、二酸化炭素（CO₂）や硫化水素（H₂S）などの酸性ガスの除去に不可欠である。これらのアミンはガス流の酸性成分と化学反応を起こし、硫黄含有量を最小限に抑え、環境基準を満たすのに役立つ。

硫黄回収装置（SRU）： 硫化水素が分離されると、通常はSRUで処理され、元素状硫黄に変換される。この硫黄は、肥料などの工業製品に使用するために売却することができる。

極低温分離ユニット： これらの装置は、ガス処理プラントの主ガス流からエタン、プロパン、ブタンを含むNGLを分離し、NGL流を生成するのに非常に低い温度を使用する。これらの液体は、石油化学製品の生産における原料として、または個々の製品として使用することができる。

脱水システム： パイプラインの閉塞を引き起こすハイドレートの形成を避けるためには、水蒸気を除去する必要がある。これを行う最も一般的な方法のひとつがグリコール脱水で、輸送中のガスの流動性を維持するのに役立つ。

水銀除去システム： 水銀除去装置は、小規模な用途で使用される一方で、特に極低温プロセスにおいて、アルミニウム部品への水銀の影響を避けるために不可欠である。

これらのシステムはすべて、最終的な天然ガス製品をクリーンで安全なものにし、市場に出せるようにするという特定の機能を持っている。これらの技術を適切に取り入れることで、効率的な処理、設備の保護、天然ガス資源の最適な利用が保証される。

天然ガスの精製プロセス

天然ガスの精製プロセスは、様々な段階で特定の望ましくない成分を除去することを目的とした複雑なものである。これは、最終製品が設定された基準に適合し、さまざまな用途に使用できることを確認するのに役立ちます。それでは、このプロセスの主なステップについて説明しましょう。

原料ガスの前処理

天然ガス精製プロセスの最初のステップは、原料天然ガスの前処理であり、通常、原油、関連水、固相を伴う。前処理には通常、天然ガス液の分離を含む標準的な分離器とフィルターの適用が含まれます。これらのシステムは、ガスが他のプロセスを通過できるように、大量の不純物をろ過します。

前処理はまた、さらなる処理に不可欠な温度とガス圧を制御することで、ガス流を調整する。このステップの効率は、精製全般の効率を決定する。大きな汚染物質は、その後の工程で他の機器に害を及ぼす可能性があるため、この段階で除去しなければならない。

酸性ガス除去

天然ガスの精製プロセスでは、硫化水素（H₂S）や二酸化炭素（CO₂）などの酸性ガスを除去する。次のステップでは、これらの腐食性ガスを管理することに焦点を当てる。うまく管理されなければ、操業上および環境上の問題を引き起こすからである。例えば、H₂Sは、パイプラインや機器に深刻な腐食を引き起こす可能性があり、修理に費用がかかり、安全上の危険をもたらす可能性がある。一方、CO₂は天然ガスの発熱量を低下させる効果があり、低温プロセス中に固化して閉塞やその他の問題を引き起こす可能性がある。

ガス流から酸性ガスが除去されないと、脱水や硫黄回収などの下流工程が損なわれたり、停止したりする可能性がある。高レベルのH₂SはSRUを過負荷にさせるため、SRUの性能を低下させ、有害ガスの排出を増加させる。同様に、CO₂濃度が5%であっても、極低温分離装置の効率を20%以上低下させ、プロパンやブタンなどの貴重な炭化水素の回収を低下させる可能性がある。

これに対処するため、アミン吸収が最も一般的に使用されるアプローチである。アミンは化学反応によってH₂SおよびCO₂と反応し、ガス流からこれらのガスをろ過する。さらなる精製には、分子ふるい吸着や圧力スイング吸着（PSA）のような物理吸着技術が使用される。これらの方法は、例えば脱硫後や高圧ガス混合物中のCO₂除去など、低硫黄や低炭素が必要な場合に特に有用である。モレキュラーシーブス（13X、4A）などは、超高純度のガスであるほどCO₂とH₂Sを選択的に吸着することができ、高感度が要求される用途に使用できる。

いくつかの混合プロセスでは、モレキュラーシーブや他の吸着剤が、特に特定のガス状混合物に対してより良い結果を得るために、化学的方法とともに使用される。

こうすることで、オペレーターは機器を保護し、後続工程の効率を高め、環境要件を満たすことができる。この段階は、高品質で費用対効果の高い天然ガスの生成に不可欠である。

脱水

脱水は天然ガス処理の重要な段階である。ガスハイドレートは、高圧・低温で水蒸気が天然ガスと反応して形成される氷のような固体構造物である。ハイドレートは、パイプラインの閉塞、操業の中断、天然ガスの通過阻害といった深刻な問題を引き起こし、時間のかかる問題につながる。さらに、ガス流中の水分はパイプラインや処理装置の腐食を引き起こし、耐用年数を大幅に縮める。

脱水のプロセスが適切に管理されない場合、極低温分離や硫黄回収などの他のプロセスに深刻な影響が及ぶ可能性があります。例えば、残留水は極低温装置内で凍結し、装置の閉塞を引き起こし、エタン、プロパン、ブタンなどの貴重な炭化水素の回収率を低下させる可能性がある。研究によると、わずか数ppmの水が極低温運転において15-20%の損失を引き起こす可能性がある。また、水はCO₂やH₂Sなどの酸性ガスを溶かして腐食性の高い酸を形成し、問題をさらに悪化させる。

一次脱水は最も一般的な方法の一つで、グリコール脱水が最もよく使われる方法である。このプロセスでは、トリエチレングリコール（TEG）をガス流に通し、水蒸気を除去する。これにより、ガスに水分が含まれていないことが保証され、通常、パイプライン品質として7 lbs/MMscf以下の水分が供給される。ガス流の温度は、水分除去の効率と性能を一定に保つために調整される。

ガス流に比較的多量の水が含まれる場合、4Aモレキュラーシーブを第一段階の脱水に使用することもできる。4Aモレキュラーシーブは、その高い吸着容量と効率から、例えば低温時や、更なる処理の前に水分量を減らす必要がある場合に、主な方法として使用することができる。このような場合、4Aモレキュラーシーブはガス中の水分含有量を減少させるのに役立ち、したがってTEGシステムを含む次の脱水段階への負荷を減少させ、ガス精製プロセスの効率を向上させる。

どちらの方法も、パイプラインの仕様を満たし、ガスを他の後続の処理工程に対応させるために、天然ガス中の水分含有量を調整する上で不可欠である。TEG脱水、4Aモレキュラーシーブ、またはその両方を使用するかどうかは、操業とガス組成の必要性に基づいて決定される。

一次脱水の後、例えばLNGのような極低温処理や液化処理されるガス流には、さらなる脱水が必要である。

モレキュラーシーブ、特に13Xタイプは、深層乾燥に最もよく使用される吸着剤である。モレキュラーシーブは0.1ppm以下の水分まで除去できるため、極低温システムでの使用に適しています。非常に低い濃度でも水分子を選択的に吸着するこの能力は、LNG製造のような最も厳しい水分条件下でも最高の性能を保証します。

活性アルミナのような他の乾燥剤は、例えば-40℃の露点を達成するなど、中程度の乾燥要件に使用される。活性アルミナは、モレキュラーシーブ上のバルク水分負荷を下げ、耐久性と性能を向上させるための前処理材料としても使用されます。モレキュラーシーブは、吸着容量が大きく、選択性が高く、運転寿命が長いため、深層脱水に好まれる。これらの特性により、モレキュラーシーブは極低温やその他の厳しいプロセスで必要とされる極めて低いレベルの水分を達成する上で非常に貴重な存在となっている。

適切な露点制御により、オペレーターは機器の腐食や侵食を防ぎ、後続プロセスの性能を向上させ、顧客にクリーンで乾燥した天然ガスの供給を保証することができる。

重炭化水素と水銀の除去

飽和炭化水素や水銀などの不純物は、天然ガス処理において、安全、操業、環境仕様を満たすために除去される。重質炭化水素に含まれるペンタンや高級アルカンは、下流工程で深刻な問題を引き起こす可能性がある。これらの炭化水素は極低温で固化し、機器の閉塞を引き起こし、プロパン、ブタン、エタンなどの貴重なNGLを回収するプロセスの効果を低下させる。水銀は、非常に低い濃度でも、極低温熱交換器のアルミニウム部品を侵し、機器の故障、運転時間の損失、高価な修理につながる。

モレキュラーシーブス(5A,13X)は、これらの不純物を除去するために最も広く使用されている高度な吸着剤である。モレキュラーシーブは、その高い吸着容量と選択性により、重質炭化水素を効果的に分離すると同時に、水銀を一度に吸着することができる。モレキュラーシーブは低温でも性能を低下させることなく運転できるため、極低温システムにおいて特に有用である。また、再生が可能であるため、長期的には価格と機能性が向上する。

用途によっては、一次吸着剤に加えて活性炭などの他の吸着剤を水銀除去に使用することもある。とはいえ、モレキュラーシーブは他の吸着剤に比べてより効果的で汎用性が高いと考えられている。モレキュラーシーブはガスを浄化するだけでなく、デリケートな下流装置を損傷や汚染の可能性から守り、非常に高価になることもある。

これらの不純物が除去されない場合、極低温装置の目詰まり、貴重な炭化水素の回収率の低下、環境基準の違反など、大きな問題を引き起こす可能性があります。重質炭化水素と水銀を効果的に処理することで、オペレーターは下流のプロセスを保護し、可能な限り多くの資源を回収し、安全性と環境要件を満たすことができます。

硫黄回収

硫黄回収は、天然ガスから硫化水素（H₂S）をストリッピングした後の重要なプロセスである。このプロセスは有害ガスの排出を削減するだけでなく、H₂Sを肥料や化学製品などに使用される有用な製品である元素状硫黄に変換する。最も一般的な方法はクラウス法で、H₂Sを部分燃焼させてSO₂を生成し、活性アルミナや硫酸バリウムなどの触媒の存在下で残りのH₂SとSO₂を反応させて元素状硫黄を生成する。

水分は硫黄回収反応の効率を妨げ、装置を腐食させるため、硫黄回収におけるもう一つの重要な考慮事項は、ガス流中に水分がないことである。モレキュラーシーブス、特に4Aおよび5Aは、残存する水分を除去し、また硫黄転換プロセスの触媒活性を高めるために、このステップで使用される。モレキュラーシーブは、水分吸着能力、選択性、熱安定性が高いため、活性アルミナやシリカゲルのような他の乾燥剤よりも優先して使用される。

触媒活性の利点に加え、モレキュラーシーブはより高い再生特性と耐用年数を示し、長期的な使用により経済的である。モレキュラーシーブの細孔径分布は、最適な吸着・反応環境を提供するようにうまく制御されており、より高い硫黄回収率とプラント性能の向上につながる。

硫黄回収プロセスにモレキュラーシーブを適用することで、オペレーターはH₂Sの変換を増加させ、設備を保護し、環境基準内で回収された硫黄の価値を最適化する。

様々な産業における天然ガスの純度要件

天然ガスに期待される純度のレベルは、ガスの用途によって産業ごとに異なる。効率的な操業を行うため、設備を保護するため、また高品質の製品を製造するためにも、精製は重要である。

パイプライン輸送パイプライン品質の天然ガスの場合、輸送中のトラブルを避けるため、要求される純度は非常に高い。硫化水素（H₂S）のような酸性ガス、水蒸気、および高圧・低温でパイプラインの腐食やハイドレート形成の原因となるその他の不純物を含んではならない。これは、モレキュラーシーブ、活性アルミナ、酸化鉄（Fe₂O₃）、活性炭などの吸着剤や乾燥剤を強化することで可能になる。

これらの選択肢の中で、モレキュラーシーブ（4A、5A、13X）は吸着という点で特に効果的である。活性アルミナは基本的な乾燥に適しているが、モレキュラーシーブは0.1ppm以下の露点を達成できるため、デリケートな用途の超低水分要求に応えることができる。さらに、酸化鉄や活性炭は硫黄や炭化水素など特定の不純物を選択的に吸着するが、モレキュラーシーブは水、CO₂、H₂Sを同時に高い選択性で吸着できる。

また、モレキュラーシーブは耐用年数が長く、再生率が高いため、長期的な用途では経済的である。これらの利点により、モレキュラーシーブはパイプラインの輸送、安全性、効率性に必要な純度と信頼性を達成するための好ましい選択肢となっている。

発電所と石油化学用途：これらの分野では、操業と製品の品質を支えるために非常に高純度の天然ガスを必要とします。発電所の場合、天然ガスは特定の水分および不純物レベルを満たす必要があり、水分含有量は通常1ppm未満と予想されます。タービンやボイラーの腐食を防ぎ、安定した効率的な燃焼を実現するためには、このレベルの乾燥度が必要である。

石油化学プロセスでは、硫黄化合物や重質炭化水素のような不純物がppmレベルでも、触媒プロセスを妨害し、製品形成を低下させ、敏感な装置を汚損する可能性がある。化学原料として使用される天然ガスは、高い純度が要求されるため、硫黄分を1ppm以下に除去する必要があります。

このような要求を満たすためには、水を非常に低いレベルまで除去し、同時に硫黄化合物や炭化水素を選択的に除去できるモレキュラーシーブが好まれる。活性炭や酸化鉄（Fe₂O₃）のような他の吸着剤は、硫黄や炭化水素のような特定の不純物に対して使用される。しかし、モレキュラーシーブはこれらの代替品よりも効率的で選択性が高く、再生が容易であるため、より困難なプロセスで使用されている。

天然ガス液（NGL）生産：エタン、プロパン、ブタンなどのNGLの回収には、高い純度が要求されるため、不純物を非常に低いレベルに抑える必要があります。極低温システムでは、温度が-100℃以下になることがあるため、機器を詰まらせ、システムのアップセットを引き起こす可能性のある凍結やハイドレートの形成を避けるために、水分含有量を0.1ppm以下にする必要がある。同様に、CO₂の濃度は、固化して分離された成分を汚染しないように、可能な限り低く保つ必要がある。

このようなニーズに応えるため、モレキュラーシーブ（4A、5A、13X）が深層脱水とCO₂除去に適用されている。モレキュラーシーブは高い表面積と選択性により、水分や不純物を極めて低いレベルに抑え、効率的な低温プロセスを実現するのに適している。

その他の吸着剤には、特定の用途で使用される活性アルミナや活性炭がある。中程度の脱水には活性アルミナが使用され、活性炭は微量の炭化水素やその他の不純物の除去に使用される。とはいえ、その性能と適用性は一般にモレキュラーシーブより劣り、特に極低温の厳しい環境ではその傾向が顕著である。

個々のプラントのニーズに合わせて開発できる高度な吸着剤により、オペレーターは、極低温装置へのリスクを最小限に抑え、製品収量を最大化しながら、NGL生産に必要な高純度の天然ガスを得ることができる。

石油精製と特殊用途製油所やその他の用途では、天然ガスの組成は、特定の操業および製品仕様を満たすために非常に重要です。例えば、化学生産では、貴重な化学物質を生産するために、メタンのような軽い炭化水素を重い炭化水素から分離する必要があるため、炭化水素の組成を制御する必要があります。このような用途では、原料として使用される天然ガスは、触媒プロセスを妨害する硫黄と水分のレベルが非常に低く、1ppm未満であることが多い。

同様に、コンデンセート井戸には、生産され、液体燃料などの液体製品に加工される炭化水素が含まれている。ここで、CO₂、水、硫黄を含む不純物の存在は、製品の品質と運転性能を高めるために規制されなければならない。

精製プロセスを業界のニーズに合わせてカスタマイズすることで、事業者は様々な用途に安全で効率的な高品質の天然ガスを提供することができる。

モレキュラーシーブのニーズにジャロンを選ぶ理由

ジャロンは、20年以上にわたって産業界から信頼されている優れたモレキュラーシーブの世界有数のメーカーです。現在、112件の特許を登録し、86の国と地域に輸出しており、20の異なる用途に革新的なソリューションを提供しています。

当社のモレキュラーシーブA、X、Zタイプは、分離、精製、脱水用途に最適化されています。当社はISO9001とISO14001の認証を取得しており、品質と環境に優しいプロセスを保証しています。

ジャロンは、経験豊富なチーム、最高の製造技術、品質保証により、お客様のアプリケーションに最高の信頼性を提供します。信頼性の高いサプライチェーンと革新的なソリューションで、お客様の成功をお手伝いします。

天然ガス精製の進歩、課題、将来展望

天然ガスの精製技術は、クリーンなエネルギーと強化された基準に対する需要の高まりにより、かなり発展してきた。新しい極低温プロセスや、より優れた吸着プロセス、モレキュラーシーブのような媒体により、より高い効率と選択性で不純物を分離・除去することが可能になった。これらの開発は、より高い純度を達成するだけでなく、エネルギーと経費の節約にも役立っている。しかし、産業への影響を軽減するため、精製プラントは太陽光や風力発電のような再生可能エネルギー源で稼働している。

しかし、まだ解決されていない問題もある。最も難しい問題は、精製ガスの経済的価値を維持しながら、精製にかかるコストをどのように賄うかである。深層脱水、酸性ガス除去、水銀除去を行う技術は、資本集約的である可能性がある。さらに、環境基準が引き上げられ続ける中、精製システムは、温室効果ガスの排出を最小限に抑えるだけでなく、より複雑な不純物に対応できなければならない。

今後の展望は、浄化技術の創造における持続可能性の概念に支配されるだろう。CO₂を捕捉し、貯蔵またはリサイクルできる二酸化炭素除去システムは、世界が低炭素排出にシフトするにつれて、より人気が高まると予想される。また、小型で持ち運び可能な浄化システムにも関心が集まっており、特に、柔軟性とロジスティクスの点から、極限的な用途や小規模な用途に適している。

天然ガス精製の将来は、変化し続けるエネルギー・ニーズ、コスト課題、環境問題にどの程度対応できるかによって決まる。よりクリーンなエネルギー・ミックスへの移行において、天然ガスが安定した効率的かつ持続可能なエネルギー源であり続けるためには、さらなる進歩が不可欠である。