Fonctionnement de la liquéfaction du gaz naturel : explication étape par étape

Phase de prétraitement de Liquefaction du gaz naturel

Techniques d'élimination des gaz acides

Les gaz acides tels que le CO₂ (dioxyde de carbone) et le H₂S (sulfure d'hydrogène) sont éliminés en premier afin d'éviter la corrosion des canalisations et pour des raisons de sécurité. Les systèmes d'absorption à base d'amines représentent 68 % des parts des usines de GNL dans le monde (GasTech 2023) et utilisent des solvants tels que le MDEA, capables de réagir chimiquement avec les composants acides. La séparation par membranes et la distillation cryogénique sont des alternatives envisageables lorsque les concentrations de contaminants dans le flux gazeux sont plus faibles. Ces procédés permettent de purifier le méthane jusqu'à une concentration supérieure à 98,5 %, réduisant ainsi le risque de congélation pendant la course cryogénique.

Méthodes de déshydratation pour le gaz de qualité transportable par canalisation

La vapeur d'eau résiduelle est davantage réduite à <0,1 ppm par des adsorbants à base de tamis moléculaire tels que les billes d'aluminosilicate. Cela permet d'éviter la formation de cristaux de glace durant la liquéfaction à -260°F (-162°C), lesquels pourraient endommager les vannes et les échangeurs de chaleur. Dans les systèmes d'adsorption à deux tours, les tours alternent entre adsorption et régénération, permettant un traitement continu du matériau. Le séchage au glycol convient bien à la séparation en amont, mais ne convient pas pour atteindre l'extrême sécheresse nécessaire aux spécifications du GNL.

Protocoles d'élimination du mercure

Le Hg < 0,01 μg/m³ est séquestré par des lits de charbon actif imprégné de soufre afin d'éviter l'embrittement des échangeurs de chaleur en aluminium. Les lits de sulfure métallique à usage unique sont courants dans 82 % des projets de GNL en Arctique, en raison de leur fiabilité sur un seul cycle dans des conditions de température négative (CryoGas Journal 2023). Mesure en temps réel par spectroscopie de fluorescence atomique, afin de respecter la norme ISO 14912 sur la pureté.

Élimination de l'azote dans la liquéfaction du GNL

Procédé de distillation cryogénique

Le procédé de distillation cryogénique refroidit le gaz naturel à -200°F afin d'isoler l'azote par condensation fractionnée. Alors que le méthane reste gazeux à ces températures, l'azote se liquéfie en premier en raison de son point de condensation plus élevé. Des colonnes de distillation multi-étages permettent d'atteindre une teneur en azote inférieure à 3% dans les produits finaux GNL, avec des rendements de séparation supérieurs à 98% dans les usines modernes.

Impact sur le pouvoir calorifique du GNL

Un excès d'azote (≥5% en volume) réduit la valeur calorifique du GNL jusqu'à 25%. Maintenir une concentration d'azote ≤1% garantit la conformité aux normes ISO 6976 (1 050-1 150 BTU/ft³). Le GNL dont la teneur en azote est optimisée démontre une combustion 18% plus efficace comparé aux mélanges riches en azote, un facteur critique pour les centrales électriques nécessitant une performance de carburant constante.

Procédé principal de liquéfaction du gaz naturel

Cycles au mélange frigorigène propane (C3MR)

Le cycle C3MR (réfrigérant mélangé au propane) est l'installation d'engazéification la plus avancée, pouvant atteindre une efficacité énergétique supérieure de 20 à 30 % par rapport au système à réfrigérant unique, en utilisant un prérefroidissement au propane conjointement avec des réfrigérants mélangés composés d'azote, de méthane et d'hydrocarbures. Refroidissement en cascade Bien qu'il ne s'agisse pas d'une grande innovation, TC pouvait atteindre les performances de Ranger en refroidissant le gaz d'alimentation jusqu'à -40°F au moyen de propane, permettant ainsi de liquéfier le méthane jusqu'à -260°F à l'aide de réfrigérants mélangés. Une étude de simulation menée en 2024 par Bassioni et al. a confirmé que les schémas C3MR optimisés pouvaient réduire la consommation d'énergie à 850 kWh/t de GNL.

Optimisation de la température à -260°F

-260°F (-162°C) est atteint en définissant avec soin la charge frigorifique, associée à des échangeurs de chaleur de pointe. Les installations les plus modernes utilisent déjà des cycles de compression à trois étages combinés à des échangeurs de chaleur à plaques brasées en aluminium (BPHE) afin de réduire les oscillations de température à moins de ±2°F. L'algorithme de recherche de vortex de 2018 avait enregistré une augmentation d'efficacité de 12 % grâce à l'optimisation du réfrigérant en temps réel. La production de gaz d'évaporation (BOG) est contrôlée par deux systèmes de régulation, maintenant la pression du réservoir en dessous de 25 kPa.

Exigences en matière d'infrastructure de stockage du GNL

Ingénierie des réservoirs à double confinement

Le stockage actuel du GNL repose sur des cuves à double confinement constituées d'un récipient intérieur et d'un récipient extérieur, l'espace entre les deux étant rempli de matériau isolant. Le récipient intérieur est fabriqué en acier au nickel à 9 %, avec une dureté équivalente au carbone inférieure à 237, permettant de maintenir une température refroidie de -163 °C (-260 °F), tandis que la coque extérieure sert de protection contre la pression et contient le liquide en cas d'anomalie de fonctionnement. Les technologies modernes de matériaux isolants ont limité l'apport de chaleur à ≤0,08 W/m²·K, ce qui entraîne une production minimale, voire nulle, de gaz d'évaporation (BOG).

Systèmes de ré-liquéfaction des gaz d'évaporation

Les systèmes de gestion du BOG récupèrent 98 % du gaz évaporé en utilisant des cycles de réfrigération en cascade associés à des compresseurs cryogéniques. Les configurations standard réduisent les volumes de BOG de 0,15 % à ≤0,03 % par jour grâce à une liquéfaction multi-étages. Les usines avancées utilisent des détendeurs à azote en circuit fermé pour refroidir le BOG de 45°F à -260°F, atteignant une efficacité énergétique de 92 % par rapport aux vannes conventionnelles de Joule-Thompson.

Contrôle qualité dans la liquéfaction du gaz naturel

Technologies de surveillance de la composition

L'analyse de la composition des matériaux est effectuée en continu pour garantir que la qualité du gaz naturel respecte des limites strictes telles qu'une teneur en méthane >85 %(v/v) et des impuretés <50 ppm de CO₂ et <4 ppm de H₂S avant la liquéfaction. Les usines modernes utilisent des chromatographes en phase gazeuse et des spectromètres à cavité ring-down pour effectuer plus de 240 mesures quotidiennes des points de rosée hydrocarbonés et du soufre. Selon le rapport mondial sur la qualité du GNL 2023, les sites équipés de spectrométrie de masse en temps réel ont réduit de 67 % les lots hors spécifications.

Conformité aux normes ISO 28460

La conformité à l'ISO 28460:2019 garantit une qualité constante du GNL lors des échanges internationaux grâce à des protocoles d'échantillonnage standardisés. Le cadre exige :

• Minimum 8 échantillons composites par opération de chargement maritime
• ±0,25 % de variance maximale dans les calculs du nombre de méthane
• Vérification documentée de la teneur en mercure (<0,01 μg/m³)

Une étude de référence de 2022 montre que les terminaux certifiés ISO résolvent 92 % des litiges liés au transfert de propriété en moins de 24 heures contre 58 % dans les installations non conformes.

FAQ

Quelles sont les étapes clés de la phase de prétraitement lors de la liquéfaction du gaz naturel ?

Les étapes principales comprennent l'élimination des gaz acides, la déshydratation et l'élimination du mercure afin de purifier le gaz naturel avant sa liquéfaction.

Comment l'azote est-il éliminé durant le processus de liquéfaction du GNL ?

L'azote est éliminé par un procédé de distillation cryogénique qui refroidit le gaz naturel pour isoler l'azote.

Quelles sont les principales technologies utilisées pour la surveillance de la composition lors de la liquéfaction du gaz naturel ?

Les principales technologies incluent les chromatographes en phase gazeuse, les spectromètres à cavité à décroissance, l'absorption laser et l'échantillonnage cryogénique.

Pourquoi l'élimination de l'azote est-elle importante dans la production de GNL ?

L'élimination de l'azote excédentaire est importante pour maintenir le pouvoir calorifique du GNL et assurer une efficacité de combustion constante, notamment dans les centrales électriques.