Новая технология переработки попутных нефтяных газов в местах их добычи

Переработка попутного нефтяного газа (ПНГ) – давняя проблема, решение которой требует многомиллионных вложений и устранения ряда сдерживающих факторов. Среди них можно назвать отсутствие инфраструктуры для сбора и подготовки ПНГ на месторождениях, строительство дорогостоящих газопроводов для транспортировки ПНГ к заводам, отсутствие реализованных идей по экономически эффективному использованию всех компонентов попутного газа, в особенности метана, который, как правило, составляет более 50% от всего объема.

На пути к экологическому прогрессу

Проблема утилизации и использования ПНГ на сегодняшний день является одной из приоритетных задач нефтегазового комплекса России. Так, по данным Министерства природных ресурсов, в прошлом году в факелах было сожжено 15,7 млрд кубометров газа, за что нефтедобывающие компании должны были заплатить штраф в размере 75,4 млрд рублей. Минприроды подготовило проект постановления правительства «О мерах по стимулированию сокращения загрязнения атмосферного воздуха продуктами сжигания попутного нефтяного газа на факельных установках». В настоящее время проект находится на стадии обсуждения. Согласно данному документу, в 2012 году утилизация ПНГ должна быть доведена до 95%, при этом объем штрафов должен быть увеличен в 2,2 раза и составить, соответственно, 450-470 млрд рублей.

Как следствие, очевидна острая необходимость в разработке новой эффективной технологии утилизации ПНГ, ориентированной на расширение сырьевой базы страны посредством вовлечения сжигаемого на факелах ПНГ в производство товарного природного газа и дальнейшего его использования для генерации тепла и электроэнергии на предприятиях муниципальных образований в местах нефтедобычи или приближенных к ним.

Применяемые методы утилизации ПНГ

Если не принимать во внимание закачку ПНГ в недра для повышения пластового давления, то все технологии переработки ПНГ подразделяются на два основных направления: нефтехимическое и энергетическое. Методы утилизации ПНГ нефтехимического направления основываются на предварительном выделении углеводородов выше С3 посредством сепарации и последующем их использовании для различных видов химических превращений с получением товарных продуктов. Из последних разработок в этом направлении следует отметить технологии ЗАО «Национальная газовая компания», ЗАО «Метапроцесс», ЗАО «НефтеГазТоп», ОАО «Новатэк», ОАО «Глоботэк».

Энергетическое направление переработки ПНГ является доминирующим, так как имеет практически неограниченный рынок. ПНГ – высококалорийное и экологически чистое топливо – после соответствующей подготовки может быть успешно использовано для выработки электроэнергии и теплоснабжения для промысловых нужд и предприятий ЖКХ. Однако непосредственное использование «жирных» газов в качестве топлива для различного типа энергоустановок (ЭУ) связано с наличием ряда проблем.

В связи с этим возникает необходимость в разработке новой технологии утилизации ПНГ, которая создала бы возможность использования топлива, создаваемого на основе ПНГ в газопоршневых, газодизельных и газотурбинных энергоустановках без снижения мощности и ресурса работы, а также получения товарного природного газа.

Инновационное решение

Специалистами Института катализа СО РАН Новосибирского Государственного университета совместно с ООО «Запсибтехнологии» была разработана новая технология утилизации ПНГ. Суть ее заключается в получении нормализованного состава газа посредством проведения каталитической конверсии всех углеводородов составом выше С1, содержащихся в ПНГ, в метан и синтез-газ. В результате получается газовая смесь, состоящая из исходного метана и полученного в результате конверсии метана и водородсодержащего синтез-газа.

Использование «жирных» газов является наиболее предпочтительным, поскольку в этом случае увеличивается выход метана и синтез-газа относительно более «бедных» газов. Нормализованная газовая смесь может использоваться в качестве топлива для газопоршневых, газодизельных и газотурбинных энергоустановок. Эта смесь не подвержена детонации и смолообразованию.

Для проверки основных положений предлагаемой технологии были проведены теоретические расчеты по достижению термодинамически равновесных составов продуктов паровой конверсии ПНГ.

Для отработки технологии в апреле 2011 года были проведены эксперименты в поселке Талинка ХМАО-Югры на реальных попутных газах. Измерения их составов были выполнены в химической лаборатории ООО «Няганьгазпереработка». К сожалению, технические возможности лаборатории не позволили измерить содержание водорода в нормализованном газе, но, по расчетным данным, его концентрация могла быть на уровне 5-7%. Результаты проведенных экспериментов однозначно указывают на перспективность технологии для конверсии «жирных» компонентов ПНГ в дополнительный метан без конверсии исходного.

Отработка технологии в составе газопоршневой установки МТЭС-30

Одним из способов использования ПНГ в качестве топлива для энергоустановок является снижение их мощности на 25-30% относительно фактической, соответствующей размерности агрегата. Поскольку в результате нормализации ПНГ все углеводороды выше С1 конвертируются в метан, то есть основания предполагать, что при работе энергоустановки на нормализованном газе ее мощность может быть увеличена до паспортных данных. Для проверки этого предположения в апреле 2011 года были проведены уже упоминавшиеся эксперименты в поселке Талинка ХМАО-Югры на реальных попутных газах и на газах после их нормализации. Экспериментальная установка состояла из блока нормализации ПНГ производительностью 8 м3/час и газопоршневого двигателя МТЭС-30 максимальной мощностью 36 кВт.

В результате проведенных экспериментов на ПНГ были получены следующие данные:

• максимально достигнутая электрическая мощность составила 28 кВт;
• работа двигателя на холостом ходу и под нагрузкой устойчивая;
• температура выхлопных газов на максимальной мощности – 404 ºС;
• оптимальный угол опережения зажигания равен 16º;
• показания датчика кислорода (λ-зонд) – в пределах 50-68 мV.

Таким образом, в данном режиме МТЭС-30 отработала один час, при этом отсутствовала детонация, работа двигателя внутреннего сгорания хорошая, устойчивая. Все показатели оставались в пределах нормы, исключением оказалась низкая температура выхлопных газов двигателя. Потеря мощности энергоустановки составила около 22% (8 кВт). В ходе экспериментов было отмечено наличие дымности в отходящих газах, связанной с недожогом топлива, о чем свидетельствуют показания датчика кислорода.

После проведения ряда отладочных экспериментов по определению влияния угла опережения зажигания и согласованию режимов работы двигателя с режимами работы установки были получены следующие результаты работы МТЭС-30 в рабочем режиме на нормализованном газе:

• достигнутая электрическая мощность МТЭС-30 – 34 кВт;
• устойчивая работа двигателя под нагрузкой;
• показания датчика кислорода 9-20 мV;
• угол опережения зажигания 16º;
• средний расход ПНГ составил 7,8 м3/ч;
• температура выхлопных газов при стационарной работе 450-470 ºС;
• содержание в отходящих газах СО = 0,08%, СН = 220 ppm, NOx не измерялись, наличие дымности не отмечено.

Полученные характеристики приближены к заводским параметрам, выявленным на природном газе, но с уменьшенной мощностью на 2 кВт. При переходе с ПНГ на нормализованный газ увеличение мощности работы МТЭС-30 составило 21%. Кроме того, МТЭС-30 работала стабильно, были улучшены динамические характеристики, двигатель устойчиво держал частоту вращения коленчатого вала, были нормализованы температурные параметры, уменьшено содержание в выхлопных газах СН, О2, СО2 и содержание кислорода. Данные факторы свидетельствуют об улучшении работы двигателя.

Таким образом, замена ПНГ на нормализованный газ при работе МТЭС-30 обеспечивает:

• повышение мощности энергоустановки на 21% и приближение ее к максимально возможной;
• снижение концентрации СО, СН, О2 в отходящих газах, т.е. улучшение полноты сгорания топлива;
• улучшение динамических характеристик двигателя и устойчивости режимов его работы.

Полученные результаты являются убедительным свидетельством перспективности предлагаемой технологии утилизации ПНГ посредством конверсии его «жирных» компонентов до синтез-газа и метана.

Широкий потенциал

Данная технология направлена на расширение сырьевой базы страны посредством решения проблемы утилизации ПНГ. Преимуществом новой технологии является то, что утилизация ПНГ и получение электроэнергии и товарного метана производится в местах нефтедобычи, что приводит к значительному сокращению затрат, связанных с транспортировкой нормализованного энергоносителя. При применении технологии есть возможность осуществить переработку ПНГ с различным составом компонентов (главным образом, «жирных» компонентов) в нормализованное топливо, а также переработать любые объемы газа, начиная с самых минимальных (500 м3/ч), за счет удешевления технологии по сравнению с существующими решениями. Еще одно преимущество использования заключается в получении нормализованного газа в качестве топлива для генерации электроэнергии на газопоршневых, газодизельных и газотурбинных установках с повышением их эффективности на 20-25% относительно режимов работы с использованием ПНГ. Внедрение данной технологии позволит значительно снизить материалоемкость на единицу подготовленного природного газа, что, в свою очередь, кратно снизит себестоимость установки для подготовки товарной продукции.

Технология поможет обеспечить снижение эмиссии СО2 в объеме замещения различного сжигаемого топлива в ЖКХ, устранить загрязнения земельных участков вблизи факельных установок продуктами неполного сгорания ПНГ и снабдить населенные пункты относительно недорогим топливом.