CC BY
58УДК 661.715.2
ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПЕРЕРАБОТКИ ПОПУТНОГО
НЕФТЯНОГО ГАЗА
КОЗЛОВ МАКСИМ СЕРГЕЕВИЧ
Магистрант кафедры кибернетических систем, Тюменский Индустриальный Университет,
Тюмень, Россия
КОЗЛОВА ЕЛИЗАВЕТА ВИКТОРОВНА
Магистрант кафедры кибернетических систем, Тюменский Индустриальный Университет,
Тюмень, Россия
Аннотация: В статье рассматриваются инновационные технологии и методы переработки попутного нефтяного газа на отдаленных нефтедобывающих и нефтегазодобывающих месторождениях. Основным направлением развития рационального использования ПНГ является малая энергетика и нефтехимическая промышленность. Учитывая высокую загрязненность ПНГ, для применения при выработке электроэнергии требуется подготовить топливный газ. К методам повышения качества подготовки топливного газа в БПТГ относятся метод мембранной очистки, однако при таком методе тяжелые фракции углеводородов выше С1 отсеиваются и на выходе получаем низкий объем подготовленного топливного газа. Предлагаемый метод парового риформинга метана подразумевает переработку «жирных» газов, то есть углеводородов фракции С2+, в метаново-водородную смесь, при этом на выходе имеем большой объем подготовленного газа. Внедрение метода паровой конверсии в процесс подготовки топливного газа позволяет достичь высокого качества ПНГ и эффективно применять данный продукт при генерации электроэнергии.
Ключевые слова: попутный нефтяной газ, переработка ПНГ, метан, мембранная очистка газа, паровая конверсия, установка мягкого парового риформинга.
Введение
Попутный нефтяной газ является сопутствующим компонентом при добыче нефти при разработке нефтегазовых месторождений. До принятия в России в 2004 году Киотского протокола, этим газом мало кто интересовался. В протоколе есть пункт о максимальном уровне рационального использования попутного газа. Поэтому на объектах нефтегазовой и нефтеперерабатывающей отраслей возникает потребность в оборудовании для подготовки попутного газа для промышленного использования или его транспортировки потребителю.
Перспективы применения попутного нефтяного газа
Попутный нефтяной газ - это ценное сырье для нефтегазовой промышленности. Но его использование стало распространенным не так давно. До этого самым простым способом его утилизации было сжигание на факелах, так как он в большей степени считался побочным продуктом при добыче нефти. Этот метод не только приводил к потере ценных углеводородов, но также наносил вред окружающей среде, выделяя в атмосферу огромное количество CO2 и других вредных веществ [4]. С развитием технологий разделения и очистки попутного нефтяного газа стало возможным не только эффективно утилизировать отходы нефтедобычи, но также выделять из попутного газа необходимые углеводороды.
Значительный объем сжигания попутного нефтяного газа связан с небольшими, малодебитными, низконапорными нефтяными месторождениями, удалёнными от газотранспортной инфраструктуры, где происходит сжигание ПНГ менее 0,05 млрд. м3/год из расчета на каждое месторождение, доля которых, например, по Западной Сибири продолжает увеличиваться.
Организация перекачки ПНГ с таких месторождений в пункты переработки является достаточно капиталоемким мероприятием, со значительными эксплуатационными затратами, и в связи с малыми объемами газа, это экономически не выгодно для нефтедобывающих компаний.
Основные способы утилизации попутного нефтяного газа:
1. Переработка на газоперерабатывающих заводах для получения гомологов метана, которые затем используются для производства нефтехимической продукции - каучука, пластмасс, топливных присадок, сжиженных газов, ароматических углеводородов и жидкого топлива.
2. «Малая энергетика» - использование высокой теплотворной способности ПНГ (от 9 до 15 тыс. ккал/куб), однако этот процесс требует дополнительных затрат на его очистку и осушение.
3. Закачка ПНГ и смесей на его основе в пласт для повышения нефтеотдачи.
4. Переработка газа в синтетическое топливо (технологии СЖТ^ТЬ).
5. Сжижение подготовленного ПНГ.
В настоящее время в России развиваются, как правило, два направления использования попутного нефтяного газа - в качестве топлива для выработки электроэнергии и как сырье для нефтехимической промышленности (производство сухого отбензиненного газа, газового бензина, ШФЛУ и сжиженного газа для бытового использования) [3]. При этом, вовлечение в переработку неиспользованных объемов ПНГ может значительно повысить экономическую эффективность нефтедобывающего производства. Этого можно достичь путем внедрения новых технологий и оборудования непосредственно на месторождениях, что позволит существенно снизить потребность в дорогостоящих сетевых инфраструктурах.
Мембранный метод очистки попутного нефтяного газа
Одним из методом переработки попутного нефтяного газа являются методы мембранной технологии. Мембранная технология охватывает методы изготовления мембран, способы мембранного разделения, концентрирования и очистки жидких или газообразных систем через полупроницаемую перегородку (рисунок 1).
Пйпмрят
Подготовленный
Исход
СН, N>
Рисунок 1 - Технология мембранной очистки ПНГ
Газоразделение - один из основных процессов мембранной технологии. Это процесс, в ходе которого исходная газовая смесь разделяется на отдельные компоненты благодаря разнице в коэффициентах газопроницаемости входящих в ее состав веществ. Данный процесс активируется разницей давлений на входе и выходе, а его ключевыми характеристиками являются проницаемость и селективность мембраны [1]. Проницаемость определяется размерами частиц, которые проходят через мембрану: чем крупнее молекулы газа, тем ниже коэффициент диффузии. Селективность отражает способность мембраны разделять проникающие газы и рассчитывается как отношение их коэффициентов проницаемости.
Для газоразделения применяют мембраны, изготовленные из органических и неорганических материалов, таких как: стекло, керамика, металл, полимеры [5].
Существует множество способов классификации мембран: по процессу разделения, по материалу, по внутренней структуре, по способу изготовления и внешней форме мембраны. При выборе пользователи обращают внимания на следующие требования:
- Селективность;
- Удельная производительность;
- Механическая прочность;
- Химическая стойкость;
- Биологическая стойкость;
- Тепловая стойкость;
- Срок эксплуатации мембраны;
- Санитарные требования;
- Хранение без эксплуатации;
- Стоимость;
- Возможность утилизации.
Наиболее эффективными для газоразделения считаются полимерные и композитные мембраны, так как их характеристики определяются свойствами используемых полимеров и матриц, а также особенностями производства [2]. С применением мембранных установок на базе полимерных мембран удалось добиться утилизации попутного нефтяного газа на 95%. Кроме того, путем регулирования отдельных мембранных блоков можно получать продукты с разным составом исходного сырья: двуокись углерода, сера, азот и прочие вещества.
Благодаря методам разделения мембранной технологии мировая промышленность открыла для себя новые способы фильтрации, которые используются как для концентрирования продуктов, так и для очистки отходов жидких и газовых сред.
В процессе газоразделения особый интерес представляют непористые полимерные мембраны благодаря их разнообразным характеристикам, зависящим от типа полимера и методов изготовления. Благодаря широкому спектру возможностей для экспериментов с производством полимерных мембран можно найти решения для задач различной степени сложности и вариативности.
Применительно к генерации энергии данный метод является малоэффективным в связи с тем, что при мембранной очистке тяжелые фракции С3+ углеводородов отсеиваются. На выходе установки получаем критически малый объем газа, и большая доля остатков ПНГ требует утилизации на факелах. Данный фактор не окажет заметного положительного эффекта от внедрения данного метода в процесс подготовки топливного газа.
Технология мягкого парового риформинга
Другим инновационным способом переработки попутного нефтяного газа является применение технологии паровой конверсии. Установка мягкого парового риформинга позволяет перерабатывать в топливный газ всю широкую фракцию компонентов ПНГ, увеличивая при этом процентное содержание метана. Полученный продукт готов к использованию в электрогенерации или может быть направлен в трубопровод, как топливный газ для дальнейшей транспортировки потребителям.
ОФ "Международный научно-исследовательский центр "Endless Light in Science"
Конверсия - это процесс переработки газов с целью изменения структуры исходного газового состава. Обычно конверсии подвергаются газообразные углеводороды, такие как метан и его гомологи, и окись углерода для получения водорода или смесей водорода с окисью углерода (рисунок 2).
Рисунок 2 - Схема установки паровой конверсии
Такие смеси используются для синтеза органических продуктов и в качестве газов-восстановителей в металлургической промышленности или подвергают дальнейшей переработке для получения водорода.
В качестве окислителей для конверсии применяются различные реагенты (кислород, водяной пар, двуокись углерода и их смеси), а также возможно использование металлических окислов.
Наиболее экономичным сырьем для конверсии является метан (природный газ). Конверсия метана различными окислителями может быть описана уравнениями:
СН4 + Н20 ^ СО + 3 Н2 - 2066,102 Дж (49,3 ккал), СН4 + С02 ^2 СО + 2 Я2 - 2476,102 Дж (59,1 ккал), 2 СЯ4 + 02 ^4 Я2 + 712,204 Дж (8,5 ккал), СО + Я20 ^ С02 + Я2 + 411.102 Дж (9,8 ккал).
Различают конверсию каталитическую и высокотемпературную.
Каталитическую конверсию метана проводят с водяным паром в трубчатых печах с внешним обогревом (паровая конверсия), а также с парокислородной смесью в аппаратах шахтного типа при небольшом (1,5—2 кгс/см2, или 0,15—0,2 Мн/м2) и повышенном (20—30 кгс/см2 или 2—3 Мн/м2) давлении.
Высокотемпературную конверсию осуществляют в отсутствие катализаторов при температурах 1350—1450 °С и давлениях до 30—35 кгс/см2, или 3—3,5 Мн/м2; при этом происходит почти полное окисление метана и др. углеводородов кислородом до CO и H2.
Примерный состав газа, получаемого при высокотемпературной кислородной некаталитической конверсии метана: 3-4 % CO2, 36—38 % CO, 57-59 % H2, 0,2—0,4 % CH4, 2 % N2.
Преимущество этого метода — отсутствие катализатора и несложное аппаратурное оформление, недостаток — повышенный расход кислорода.
Технология мягкого парового риформинга в процессе переработки ПНГ может быть реализована посредством проведения селективной реакции паровой каталитической конверсии всех углеводородов, содержащихся в ПНГ составом выше С1 (жирных газов), в метаново-водородную смесь или после очистки продуктов конверсии от СО2 - в товарный природный газ /1,2/. Технологическая схема варианта установки представлена на рисунке 1.
Рисунок 1 - Технологическая схема
Установка состоит из системы сероочистки, представляющей собой реактор каталитического окисления сероводорода с выделением серы, системы подготовки воды и образования перегретого пара. Очищенный нефтяной газ и водяной пар подаются в смеситель и далее - в риформер, где происходит реакция каталитической конверсии при соответствующим образом подобранном катализаторе. Осуществляя автоматическое изменение температуры перегретого пара и мольного соотношения H2O/C, возможно регулировать выходной состав метаново - водородной смеси.
Конверсия осуществляется таким образом, что происходит увеличение содержания метана за счет исходного метана, находящегося в ПНГ, и дополнительного метана, получаемого в результате конверсии высших углеводородов типа С2+, что приводит к увеличению объема метаново-водородной смеси в 1.3-2.3 раза. В результате получается газовая смесь, состоящая из проходящего транзитом метана и полученного в результате конверсии метана и водородосодержащего синтез - газа.
Использование «жирных» газов является наиболее предпочтительным, поскольку в этом случае увеличивается выход метана и синтез-газа относительно «бедных» газов. Нормализованная газовая смесь может использоваться в качестве топлива для газопоршневых, газодизельных и газотурбинных энергоустановок.
Применение технология мягкого парового риформинга в процессе переработки ПНГ позволяет достичь следующих экономических и экологических результатов:
- Использование ПНГ для производства электроэнергии и товарного газа осуществляется на местах добычи нефти, что позволяет существенно сократить затраты на транспортировку готового энергоносителя;
- Возможность перерабатывать ПНГ с разным составом компонентов в готовый к использованию вид топлива;
- Способность обрабатывать любые объемы газа, начиная от минимальных 500 кубометров в час, за счет снижения стоимости технологии в сравнении с существующими решениями;
- Получение метановодородных смесей разного состава в качестве источника энергии (включая собственные нужды нефтяных компаний);
- Применение блочно-модульного принципа создания энергетической установки, позволяющего проводить ремонтные работы, замену блоков, увеличение мощности, включая полевые условия;
- Уменьшение выбросов С02 за счет замены различных видов топлива в жилищно-коммунальном секторе;
- Предотвращение загрязнения земельных участков возле факельных систем продуктами неполного сжигания ПНГ.
Применение технологии мягкого парового риформинга может значительно увеличить процент рационального использования получаемого при добыче нефти попутного нефтяного газа на месторождениях и объектах переработки углеводородов. Уменьшение объемов сжигаемого попутного газа положительно скажется на экологической обстановке региона и снизит уровень загрязнения окружающей среды остатками продуктов горения.
ЛИТЕРАТУРА
1. Дытнерский, Ю. И. Моделирование процесса фильтрации с помощью керамических мембран : учеб. Пособие / Ю. И. Дытнерский, Г. Г. Каграманов. - Москва : РХТУ им. Д. И. Менделеева , 2001. - 52с.
2. Каграманов, Г. Г. Научные и инженерные принципы разработки мембранных систем разделения газов / Г. Г. Каграманов, Е. Н. Фарносова.//Теоретические основы химической технологии. - 2017. - Т. 51, № 1. - С. 43-50.
3. Муллахметова, Л. И. Попутный нефтяной газ : подготовка, транспортировка и переработка / Л. И. Муллахметова, Е. И. Черкасова.//Вестник технологического университета. - 2015. -Т. 18 № 19. - С. 83-90.
4. Хетагурова, Э.О. Исследование воздействия сжигания попутного нефтяного газа на факельных установках / Э. О. Хетагурова, Е. А. Борзыкина//Международный научный журнал «Вестник науки». - 2021. - Т. 5 № 5. - С. 135-140.
5. Юркин М.Е. Анализ современных методов переработки попутного нефтяного газа, используемых лидирующими нефтедобывающими компаниями / М. Е. Юркин, В. А. Изюмов, Ю. М. Аверина//Успехи в химии и химической технологии. - 2022. - Т. 36 № 13. - С. 10-12.
