Екатеринбург +7 9222006100 Маслов В.В.

Краснодар +79184913602 Нечаев О.Г.

Полезная информация

Собственникам нефтегазовых месторождений
Главам муниципальных образований

 

От д.т.н., заведующего лабораторией СО РАН Института катализа им. Г.К. Борескова

 

Название проекта

“Создание энергохимического комплекса утилизации  попутного нефтяного газа   (ПНГ) производительностью 1000 м3 в час   в местах нефтедобычи посредством переработки ПНГ в метан с дальнейшим его  использованием в энергоснабжении  близлежащих муниципальных образований”.

Краткое резюме проекта.

Проект направлен на разработку технологии и создание на ее основе энергохимического комплекса (ЭХК), обеспечивающего утилизацию жирных компонентов  ПНГ главным образом в метан и частично в  синтез-газ с последующем (в случае необходимости) метанированием  до товарного природного газа. Особенностью ЭХК является его ориентация на источники ПНГ малодебитных удаленных от газотранспортной инфраструктуры месторождений нефти от 1 до 50 млн. мі в год, которые с одной стороны составляют 70% выбросов ПНГ, а с другой из-за малого расхода газа экономически непривлекательны  для нефтедобывающих компаний. Суть предлагаемой технологии заключается в  проведении реакции паровой  каталитической конверсии всех углеводородов, содержащихся в ПНГ, составом выше С1 в метан и синтез-газ. В результате получается нормализованная газовая смесь,  которая не подвержена детонации и смолообразованию и может быть использована в качестве  топлива для газо-поршневых и газодизельных энергоустановок. Реализация проекта расширит сырьевую базу страны посредством вовлечения сжигаемого на факелах попутного газа в производство товарного природного газа и дальнейшего его использовании для генерации тепла и электроэнергии на предприятиях муниципальных образований в местах нефтедобычи или приближенных к ним.

Актуальность проекта  для Российской федерации.

- Экологические и климатические последствия масштабного сжигания попутного газа. Сжигание ПНГ приводит к значительным выбросам твердых загрязняющих веществ и ухудшению экологической обстановки в нефтепромысловых районах. В результате сжигания ПНГ в факелах оказывается существенное воздействие на климат. При «технологических потерях» и сжигании ПНГ в атмосферу выбрасывается диоксид углерода и активная сажа. Обязательства Правительства Российской федерации по Киотскому протоколу

- Финансовые последствия масштабного сжигания попутного газа. Большой объем ПНГ, сжигаемого на факелах – потеря ценного углеводородного сырья. Согласно оценкам Министерства Природных Ресурсов из 55 млрд. м. куб.  ежегодно добываемого в России НПГ лишь 26% (14 млрд. м. куб.) направляется в переработку, 47% (26 млрд. м. куб.) идет на нужды промыслов либо списывается на технологические потери и 27% (15 млрд. м. куб.) сжигается в факелах. По данным  МПР из-за сжигания ПНГ финансовые потери страны  в пересчете на консолидированную стоимость жидких углеводородов, пропан-бутана и природного газа составляют размере 139.2 млрд. рублей ежегодно.  Но из-за  несовершенства законодательства и отсутствия дешевых и эффективных технологий у нефтедобывающих компаний нет экономической мотивации в утилизации ПНГ.

- Необходимость в разработки новых технологий. Отсутствие простых эффективных технологий утилизации ПНГ в местах нефтедобычи, ориентированных на малые расходы и давления; наличие ограничений  по использованию магистральных газопроводов; недостаточность свободных мощностей на  существующих ГПЗ; большая капиталоемкость  строительства новых газопроводов и  ГПЗ.

- Выполнение решений Правительства Российской федерации, в которых определены целевые ориентиры утилизации ПНГ – прекращение сжигания ПНГ, использование ПНГ для энергообеспечения близлежащих к местам нефтедобычи населенных пунктов, переработка ПНГ в товарный природный газ вблизи мест нефтедобычи, который можно будет закачивать в магистральные газопроводы.

 

Краткое описание базовой технологии проекта.

Попутный нефтяной газ – побочный продукт при сепарации нефти перед отправкой ее в нефтепроводы. Средний компонентный состав ПНГ (в процентах): метан - 58 - 80%, этан - 5 - 15%, пропан - 6 - 12%, бутан - 2 - 6%, пентан - 1 -2%, углекислый газ - 0,26%, азот - 0,62%. Переработка ПНГ – давняя проблема, решение которой требует многомиллионных вложений и устранения ключевых проблем, основными из которых являются: отсутствие инфраструктуры для сбора и подготовки ПНГ на месторождениях; строительство дорогостоящих газопроводов для транспортировки ПНГ к заводам; отсутствие решений по экономически эффективному использованию всех компонентов попутного газа, в особенности метана, который, как правило, составляет более 50% и др.

Конечной целью настоящего проекта является разработка технологии переработки жирных газов, содержащихся в  ПНГ и создание на первой стадии пилотного образца энергохимического комплекса, на второй стадии опытно-промышленного образца энергохимического комплекса утилизации ПНГ в местах нефтедобычи производительностью 500-3000 м3/час.  Кроме того, создаваемый базовый опытный образец должен стать прототипом для создания серии установок  и организации их промышленного производства. Этим самым будет расширена сырьевой базы страны посредством вовлечения сжигаемого на факелах попутного газа в производство нормализованного природного газа и дальнейшего его использовании для генерации тепла и электроэнергии на предприятиях муниципальных образований в местах нефтедобычи или приближенных к ним.

 Суть предлагаемой технологии заключается в  получении нормализованного состава газа посредством проведения каталитической конверсии всех углеводородов, содержащихся в ПНГ, составом выше С1 в метан и синтез-газ. В результате получается нормализованная газовая смесь, состоящая из исходного метана и полученная в результате конверсии  метана  и водородсодержащего синтез-газа и практически независящая от исходного ПНГ. Отметим, что использование “жирных газов ПНГ” 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 газо-поршневых,  газодизельных и газотурбинных энергоустановок. Эта смесь не подвержена детонации и смолообразованию. Прямое использование “жирных газов ПНГ” в качестве топлива для различного типа энергоустановок сопряжено с рядом проблем, основными из которых является потеря мощности до 50%, забивание топливной аппаратуры конденсатом, парафинистыми и маслянистыми отложениями, приводящими к повреждению энергоустановок.  Проверка предлагаемой технологии на лабораторном уровне и в полевых испытаниях показала ее перспективность для получения нормализованного состава газа. Ниже приведены экспериментальные данные, подтверждающие сделанные выводы.  

 

Состояние проекта.

Проведены лабораторные исследования по разработке технологии, которые подтвердили предлагаемую концепцию переработки жирных газов ПНГ в нормализованный газ.  Ниже в таблице 1 для иллюстрации приведены  результаты лабораторных исследований, выполненных в Институте катализа СО РАН и Новосибирском Государственном Университете.

Таблица 1. Состав “сухих” газов конверсии на выходе из реактора паровой конверсии кондиционирования ФГУ при давлении 0.5 МПа.  

Исходный состав смеси, об. %

C1

C2

C3

C4

C5

C6

C7

CO2

62.27

6.63

13.51

11.35

2.83

0.94

0.64

1.84

Состав “сухих” газов  после конверсии.

H2O/C

T, oC

CH4

CO

CO2

H2

H2O

1.50

300

82.37

0.01

13.19

4.42

-

1.50

350

77.54

0.05

13.69

8.71

-

1.75

300

81.67

0.01

13.27

5.05

-

1.75

350

76.25

0.05

13.83

9.87

-

2.00

300

80.99

0.01

13.34

5.66

-

                           

 

Из таблицы следует, что все углеводороды Составом выше С1 можно конвертировать в метан и синтез-газ и  для достижения максимального выхода метана реакцию паровой конверсии необходимо проводить при возможно более низкой температуре

Проведены полевые испытания технологии на реальных составах ПНГ в п. Талинка ХМАО-ЮГРА.  Детальная информация о проведенных испытаниях дана в Приложении к данному Техническому предложению.  Испытания технологии проведены в вариантах нормализации жирных компонентов ПНГ до метана и синтез газа на установке производительностью 8-10 м3 ПНГ в час и при использовании полученного нормализованного газа в качестве топлива в газопоршневой установке МТЭС-30, максимальной электрической мощностью 36 кВт. Краткие выводы, которые следуют из проведенных испытаний сводятся к следующим:

·   Технология обеспечивает селективную конверсию всех жирных углеводородов в дополнительный метан и синтез-газ.  Так,  после конверсии в нормализованном газе содержание метана возросло с 70.4 до 85.5% 

·   Применение нормализованного газа  для работы энергоустановки  обеспечивает:

·   повышение мощности МТЭС-30 на 21% и приближает ее мощность к максимально возможной,

·   снижает концентрации СО, СН, О2 в отходящих газах, т.е. улучшает полноту сгорания топлива,

&mmiddot;   улучшает динамические характеристики двигателя  и устойчивость режимов его работы

Таким образом, переход на нормализованный газ является перспективным направлением утилизации ПНГ.

Предлагаемое решение.

Суть предлагаемого решения заключается в создании на первой стадии проекта пилотного образца энергохимического комплекса производительностью 1000 м3 ПНГ в час, на котором будет отрабатываться технология утилизации ПНГ.  Предлагаемая технология основана на проведении реакции паровой каталитической конверсии всех углеводородов, содержащихся в ПНГ, составом С2 и выше в метан и синтез-газ. Сложность проведения такой конверсии связана с необходимостью не вовлекать в такие реакции метан, содержащейся в ПНГ. В результате получается нормализованная газовая смесь, состоящая из исходного метана и водородсодержащего синтез-газа и практически независящая от состава исходного ПНГ.

Инновационность подхода и  принципиальное отличие его от существующих технологий заключается в  переработке жирных ПНГ в местах нефтедобычи до нормализованного состава, состоящего из метана и синтез-газа. Полученнаянормализованная газовая смесь не подвержена детонации и смолообразованию и может использоваться в качестве  топлива для газо-поршневых, газодизельных и газотурбинных энергоустановок без снижения их мощности и ресурса работы. 

Области применения предлагаемого решения.

 Проект направлен на   создание пилотного образца энергохимического комплекса, на базе которого будет отработана технология утилизации ПНГ. Создаваемый пилотный и, в последующем, опытно-промышленный комплексы ориентированы на источники ПНГ малодебитных,  удаленных от газотранспортной инфраструктуры месторождений нефти от 1 до 50 млн. м3 в год, которые с одной стороны составляют 70% выбросов ПНГ, а с другой из-за малого расхода газа экономически непривлекательны  для нефтедобывающих компаний. Кроме того, создаваемый образец должен стать прототипом для создания серии установок  и организации их вначале опытно-промышленного, а затем серийного производства. Этим самым будет расширена сырьевой базы страны посредством вовлечения сжигаемого на факелах газа в производство нормализованного природного газа и дальнейшего его использовании для генерации тепла и электроэнергии на предприятиях муниципальных образований в местах нефтедобычи или приближенных к ним.

Конкурирующие решения на рынке.

Из наиболее близких аналогов к разрабатываемой технологии является технология предриформинга углеводородов, разрабатываемая фирмой Haldor Topsoe. Процесс проводится в адиабатическом реакторе со стационарным слоем катализатора, который устанавливается до печи первичного риформинга. В реакторе предриформинга все высшие углеводороды полностью превращаются в смесь оксида углерода, водорода и метана. За этой эндотермической реакцией следуют экзотермические реакции метанирования и конверсии СО, которые обеспечивают химическое равновесие между оксидами углерода, метана, водорода и воды. Технология реализована в установках большей мощности для получения водорода в производстве метанола и аммиака. Принципиальным отличием предлагаемой технологии от Haldor Topsoe  является разработка новых катализаторов риформинга, которые обеспечивают селективную конверсию только жирных компонент ПНГ,  технологические условия осуществления процесса, варианты технических решений и область применимости для утилизации ПНГ. Из других наиболее близких вариантов технологий утилизации ПНГ  следует  отметить технологии ЗАО “Национальная газовая компания”, ЗАО  “Метапроцесс “,  ЗАО “НефтеГазТоп“ , ОАО  “Новатэк “, ОАО “Глоботэк”.  По представляемым данным вышеназванными компаниями экономически обоснован объем утилизации ПНГ на месторождениях не менее 40-50 млн. м3 в год (установки от 5000 м3/час). Срок окупаемости- 3-4 года (по нашим предварительным расчетам не менее 5-6 лет).  Энергохимический комплекс утилизации ПНГ по предлагаемой в настоящем проекте технологии имеет   срок окупаемости около 2 лет.

 

Конкурентными преимуществами  предлагаемой технологии являются:

·   Утилизация ПНГ для получения нормализованного газа и дальнейшее его использование для производства электроэнергии и товарного метана производится в местах нефтедобычи, что приводит к значительному сокращению затрат связанных с транспортировкой  нормализованного энергоносителя;

·   возможность осуществить переработку ПНГ с различным составом компонентов в нормализованное топливо;

·   возможность переработки любых объемов газа, начиная с самых минимальных 500 м³ в час за счет удешевления технологии по сравнении с существующими технологическими решениями;

·   возможность получения водородосодержащего метана в качестве топлива для генерации энергии (в том числе для собственных нужд нефтяных компаний);

·   значительное снижение материалоемкости на единицу подготовленного природного газа, что позволяет кратно снизить себестоимость установки для подготовки товарной продукции;

·   Блочно-модульный принцип изготовления и монтажа, использование которого облегчает возможность монтажа установки в полевых условиях и позволяет гибко наращивать производительность энергоустановки по мере возникновения такой необходимости;

·   снижение эмиссии СО2 в объеме замещения различных сжигаемых топлив в ЖКХ.

 

 

Приложение 1.  Результаты испытаний  газопоршневой  энергоустановки  МТЭС-30 на ПНГ и нормализованном газе.

 

1. Информация о газопоршневой  энергоустановке МТЭС-30.

МТЭС-30 изготовлена  на ООО «Завод Синтур НТ» на базе двигателя  Д 246. Установка предназначена для работы на природном газе, ее максимальная мощность 36 кВт.

При  испытаниях было проведено два типа экспериментов: на попутном нефтяном газе (ПНГ), состав которого дан в Приложении 1  и на нормализованном газ, состав которого приведен в Приложении 2.

2. Результаты экспериментов МТЭС-30на ПНГ.

В экспериментах получены следующие показатели:

  • Максимально достигнутая электрическая мощность  28 кВт.
  • Устойчивая работа двигателя на холостом ходу и под нагрузкой.
  • Температура выхлопных газов на максимальной мощности 4040 С.
  • Оптимальный угол опережения зажигания  равен 16 град.
  • Показания датчика кислорода (лямда зонт) в пределах 50-68 мV.

Вывод по данному режиму работы:

  • низкая температура выхлопных газов двигателя, при этом остальные показатели в норме.
  • Снижение электрической мощности энергоустановки на 8 кВт,  потеря мощности составила около 22%.
  • МТЭС-30 отработала в таком режиме 1 час, при этом отсутствовала детонация, работа ДВС хорошая, устойчивая.
  • Отмечено наличие дымности в отходящих газах, что связано с недожогом топлива о чем свидетельствуют показания датчика кислорода.

3. Результаты экспериментов МТЭС-30на нормализованном газе.

После проведения ряда отладочных экспериментов по определению влияния угла опережения  зажигания и согласованию режимов работы двигателя с режимами работы установки были получены следующие результаты.

Пример отладочного режима работы МТЭС-30 на нормализованном газе:

  • Достигнутая электрическая мощность МТЭС 32 кВт.
  • Устойчивая работа двигателя под нагрузкой.
  • Показания датчика кислорода  40-80 мV
  • Угол опережения зажигания  21 град.
  • Средний расход газа составил 8,5 м3/ч, на мощности 30 кВт
  • Температура выхлопных газов 496-506град.С.

Вывод по данному режиму работы.

Полученные характеристики приближены к заводским параметрам, полученным на природном газе, но с уменьшенной мощностью на 4 кВт. Испытания прекращены из-за появления воды в очищенном газе, после чего установка была дооборудована дополнительным конденсационным бачком для удаления влаги.

Пример рабочего режима работы МТЭС-30 на нормализованном газе:

  • Достигнутая электрическая мощность МТЭС-30  34 кВт.
  • Устойчивая работа двигателя под нагрузкой.
  • Показания датчика кислорода  9-20 мV
  • Угол опережения зажигания  16 град.
  • Средний расход ПНГ составил 7,8 м3/ч
  • Температура выхлопных газов при стационарной  работе  450-4700С.
  • Содержание в отходящих газах  СО=0.08%, СН=220 ppm, NOx  не измерялись, наличие дымности не отмечено.   

Вывод по данному режиму работы.

Полученные характеристики приближены к заводским параметрам, полученным на природном газе, но с уменьшенной мощностью на 2 кВт. Относительно режима работы МТЭС-30 на ПНГ, при переходе на нормализованный газ увеличение мощности составило 21%. МТЭС-30 работает стабильно, улучшаются динамические характеристики, двигатель устойчиво держит частоту вращения коленчатого вала, нормализуются температурные параметры, уменьшается содержание  в выхлопных газах  СН, О2, СО2 и содержание кислорода (снижение показания датчика кислорода). Данные факторы свидетельствуют об улучшении работы двигателя.

Заключение по применению нормализованного состава  газа для работы МТЭС-30.

Применение нормализованного газа  обеспечивает:

  • повышение мощности МТЭС-30 на 21% и приближает ее мощность к максимально возможной,
  • снижает концентрации СО, СН, О2 в отходящих газах, т.е. улучшает полноту сгорания топлива,
  • улучшает динамические характеристики двигателя  и устойчивость режимов его работы

Таким образом, переход на нормализованный газ является перспективным направлением утилизации ПНГ.


Процесс строительства объекта 

 


Инструкция по проектированию городских электрических сетей

 


Региональные расценки ТО МТЭС