Промышленные способы переработки природного газа

Переработка и утилизация попутного нефтяного газа

Что такое природный газ?

Не существует единой химической формулы природного газа – в каждом месторождении он имеет состав с различным соотношением входящих в него компонентов.

Природный газ – это смесь углеводородов, большую часть которых составляет метан. Остальными компонентами являются: бутан, пропан, этан, водород, сероводород, гелий, азот, диоксид углерода.

Природный газ не имеет цвета и запаха, его наличие в воздухе невозможно определить без помощи специальных приборов. Знакомый каждому человеку запах придаётся газу искусственным путём (одоризацией). Благодаря этому процессу имеется возможность ощущать присутствие газа в воздухе и предотвращать опасные для жизни ситуации.

Происхождение и состав сырья

Природный газ представляет собой углеводородное соединение с примесью различных компонентов. Состав углеводородов отличается в зависимости от места добычи. Химические элементы, которые есть в полезном ископаемом:

• водород;
• сероводород;
• соединения углерода;
• гелий;
• азот;
• этан;
• метан;
• пропан;
• бутан;
• примеси.

На глубине 10 тыс. м находятся залежи сланцевого газа. В процессе добычи на поверхность извлекается сырьё, образованное разнообразными соединениями, поэтому универсальной формулы, обозначающей состав природного газа, не существует.

Добываемый газ не имеет запаха и цвета, поэтому определить его наличие в породе возможно только с помощью высокочувствительного оборудования. В болотистых местах, где выделяется газообразное вещество, можно ощутить характерный запах, но это пахнет гниющая органика.

Возникновение природного ископаемого обусловлено появлением углеводородных соединений. Много веков назад микроорганизмы в процессе своей жизнедеятельности образовывали органику, и впоследствии она накапливалась в местах, куда не поступал кислород. Под высоким давлением органические остатки разлагались, а затем их компоненты вступали в реакцию с молекулами водорода. Так возникли первые углеводороды.

В течение многих веков происходили тектонические дислокации, менялись температурные показатели, поднимался и опускался уровень давления. В результате всех этих изменений из углеводородов формировались газовые и нефтяные месторождения.

Месторождения газообразного сырья различаются по структуре и расположению. Так, ископаемое может образовывать самостоятельные залежи или находиться в верхней части нефтяного месторождения. По состоянию этот вид сырья бывает кристаллическим (при низких температурах), газообразным и жидким. В последнем случае газ растворён в воде или нефти.

Рекомендуем: Особенности переработки автомобильных шин

Происхождение

Относительно происхождения газа не существует единой теории, учёные придерживаются двух версий:

• Когда-то на месте материков был океан. Погибая, живые организмы скапливались в пространстве, в котором не было воздуха и бактерий, запускающих процесс разложения. Благодаря геологическим движениям накопленные массы погружались всё глубже в недра Земли, где под воздействием высокого давления и температуры вступали в химические реакции с водородом, образовывая углеводороды.
• Динамика Земли способствует поднятию углеводородов, находящихся на огромной глубине, там, где меньший уровень давления. В результате этого образуются газовые или нефтяные месторождения.

Предполагаемое происхождение

Происхождение природного газа связывают с возникновением углеводородов. В процессе жизнедеятельности микроорганизмов, органика накапливалась в местах без доступа кислорода. Вступая в соединение с молекулами водорода при повышенном давлении в нижних слоях пород, происходило возникновение углеводородов. Под действием тектонического движения, передвигая горные породы, в процессе перепада давления и температур, возникали нефтяные и газовые месторождения.
Природный газ относится к осадочным ископаемым породам, его залежи могут быть как отдельным месторождением, так и верхним слоем нефтяного пласта. При низких температурах природный газ имеет кристаллическую форму, различаются также месторождения газа, растворенного в нефти или воде.

Добыча

Вопреки распространённому мнению, природный газ может находиться под землёй не только в пустотах, извлечение из которых не требует значительных материальных и энергозатрат. Зачастую он концентрируется внутри горных пород с настолько мелкой пористой структурой, что человеческим глазом её не увидеть. Глубина залежей может быть небольшой, но иногда достигает нескольких километров.

Смотреть галерею

Процесс добычи газа включает в себя несколько стадий:

• Геологические работы, в результате проведения которых точно определяются места залежей.
• Бурение добывающих скважин. Осуществляется на всей территории месторождения, что важно для равномерного уменьшения давления газа в пласте. Максимальная глубина скважин составляет 12 км.
• Добыча. Процесс осуществляется благодаря разному уровню давления в газоносном пласте и земной поверхности. По скважинам газ стремится наружу – туда, где давление меньше, сразу попадая в систему сбора. Кроме того, осуществляется добыча попутного газа, являющегося сопутствующим продуктом при добыче нефти. Он также представляет ценность для многих отраслей промышленности.
• Подготовка к транспортировке. Добытый газ содержит многочисленные примеси. Если их количество несущественно, газ транспортируется с помощью танкеров или трубопровода на завод для последующей переработки. От значительного количества примесей природный газ очищается на установках комплексной подготовки, которые строятся рядом с месторождением.

Добыча газа

Все современные способы переработки газа начинаются с проведения анализа структуры месторождения. Залегая в пустотах, ископаемое сырье извлекается методом бурения газовых скважин на всей территории обозначенного месторождения. При залежах газоносного пласта внутри мелкофракционных пород или в соединении с другими химическими элементами, помимо прямого бурения, по периметру газодобычи устанавливаются перерабатывающие комплексы.

Современная технология добычи газа

Современные технологии газодобычи позволяют извлекать природное ископаемое сырье с глубины залегания до 12 тыс. м.

Переработка природного газа начинается с момента сбора ископаемого продукта, при смежной добыче с нефтеносного пласта первичным является откачка газовых накоплений.

В современных условиях, при месторождении значительного объема предполагаемой добычи ископаемого в течение 10 лет, строятся очистительные и перерабатывающие комплексы. Эти заводы, перерабатывая сырье сразу после извлечения из пласта, позволяют значительно сэкономить средства при транспортировке.

Зачем нужна переработка природного газа

Образование природного газа приходится на период формирования слоёв пористых пород, содержащих нефть, и угольных пластов. Помимо компонентов, важных для нужд промышленности, он содержит примеси, затрудняющие процесс транспортировки и использования конечными потребителями.

Сразу после добычи газ на установках комплексной подготовки осушается, в ходе чего из него извлекаются пары воды и серы. Дальнейшая переработка природного и попутного газа осуществляется на химических и газоперерабатывающих заводах.

Переработка нефти и газового конденсата

Основные мощности Группы «Газпром» по переработке жидкого углеводородного сырья (нефти, газового конденсата, мазута) по состоянию на 31 декабря 2020 года:

• Сургутский завод по стабилизации конденсата им. В. С. Черномырдина;
• Уренгойский завод по подготовке конденсата к транспорту;
• Астраханский ГПЗ;
• Оренбургский ГПЗ;
• Сосногорский ГПЗ;
• Нефтеперерабатывающий ;
• Московский НПЗ Группы «Газпром нефть»;
• Омский НПЗ Группы «Газпром нефть»;
• Ярославнефтеоргсинтез (доступ Группы «Газпром» к 50% мощности через ПАО «НГК „Славнефть“»);
• Мозырский НПЗ, Республика Беларусь (до 50% от объема поставляемой на НПЗ нефти, доступ Группы «Газпром» через ПАО «НГК „Славнефть“»);
• НПЗ Группы «Газпром нефть» в гг. Панчево и Нови-Сад, Сербия.

Основным нефтеперерабатывающим предприятием Группы «Газпром» является Омский НПЗ — один из самых современных нефтеперерабатывающих заводов России и один из крупнейших в мире.

В 2020 году Группой «Газпром» переработано 67,4 млн т жидкого углеводородного сырья.
Объемы переработки нефти и газового конденсата, млн т

За год, закончившийся 31 декабря
2014	2015	2016	2017	2018
Переработка нефти и газового конденсата, млн т
ПАО «Газпром» и его основные дочерние общества	16,38	17,26	17,55	17,47	17,75
Газпром нефть	43,48	43,07	41,89	40,11	42,91
в том числе за рубежом	3,78	3,54	3,23	3,42	3,56
Газпром нефтехим Салават	8,13	6,44	6,47	6,48	6,74
Всего	67,99	66,77	65,91	64,06	67,40

Нефтеперерабатывающий завод в Панчево, Сербия

Основной принцип работы заводов по переработке

Главная задача предприятия, занимающегося переработкой природного газа, – максимально возможное извлечение всех компонентов ископаемого и доведение их до товарного состояния. При этом не должен наноситься вред окружающей среде и земным недрам, а финансовые затраты необходимо сводить к минимуму.

Смотреть галерею

Благодаря выполнению всех аспектов этого правила, продукты переработки природного газа считаются высококачественными и экономичными.

Утилизация и сжигание попутного нефтяного газа:

Сжигание попутного нефтяного газа в факелах нефтеносных скважин не только причиняет непоправимый вред окружающей среде, нарушает экологическую обстановку в нефтепромысловых районах и в целом по всем мире, но и приводит к существенным экономическим потерям, составляющим сотни миллиардов рублей в год.

Во-первых, при сжигании газа помимо диоксида углерода образуется твердые отходы в виде активной сажи, объем которой за год накапливается до 0,5 миллионов тонн.

Во-вторых, при сжигании газа образуется лишний СО2, который увеличивает количество парниковых газов на планете Земля.

В-третьих, метан, содержащийся в ПНГ, полностью не сгорает при сжигании. В итоге он попадает в атмосферу и еще больше способствует росту парникового эффекта. Помимо несгоревшего метана в атмосферу попадают окись азота, сернистый ангидрид и прочие несгоревшие тяжелые углеводороды, опасные для человека, растений и животных.

В-четвертых, вокруг факела нефтеносной скважины радиус термического разрушения почв колеблется в пределах 10-25 метров, растительности – от 50 до 150 метров.

В итоге, такое нерациональное использование – утилизация попутного нефтяного газа приводит к значительным выбросам твердых загрязняющих веществ, к ухудшению экологической обстановки в нефтепромысловых районах и во всем мире, к увеличению заболеваемости местного населения: раком легких, бронхов, поражениям печени и желудочно-кишечного тракта, нервной системы, зрения.

Постановлением Правительства России от 8 января 2009 г. № 7 «О мерах по стимулированию сокращения загрязнения атмосферного воздуха продуктами сжигания попутного нефтяного газа на факельных установках» был установлен целевой показатель сжигания попутного нефтяного газа в размере не более 5 процентов от объема добытого попутного нефтяного газа. По предварительным оценкам экспертов ежегодно в России сжигается порядка 25 миллиардов м3 попутного нефтяного газа. Хотя и эта цифра может быть существенно занижена из-за отсутствия на многих месторождениях узлов учета газа.

Способы переработки

Существуют следующие способы переработки газа:

• физико-энергетические;
• химико-каталитические;
• термохимические.

Физико-энергетические методы применяются для сжатия газа и разделения его на составляющие с помощью охлаждающих или нагревательных установок. Данная технология переработки природного газа чаще всего используется непосредственно на месторождениях.

Изначально процесс сжатия и разделения осуществлялся при помощи компрессоров. На сегодняшний день успешно применяется менее затратное в финансовом плане оборудование – эжекторы и нефтяные насосы.

Химико-каталитический способ переработки природного газа подразумевает превращение метана в синтез-газ для его последующей переработки. Это возможно сделать тремя способами: паровой или углекислотной конверсией, парциальным окислением.

Зачастую используется метод парциального окисления метана. Это обусловлено удобством проведения процесса в автотермическом режиме (когда при неполном окислении углеводородов сырьё нагревается благодаря тепловыделению), скоростью реакции и отсутствием необходимости использования катализатора (как при паровой и углекислотной конверсии).

Полученный синтез-газ в дальнейшем не подвергается процессу разделения на составляющие.

Смотреть галерею

Термохимические способы подразумевают термическое воздействие на природный газ, в результате чего образуются непредельные углеводороды (например, этилен, пропилен). Осуществление процесса возможно только при очень высоких температурах (около 11 тыс. градусов Цельсия) и давлении в несколько атмосфер.

Пути переработки ПНГ

Как и в советские времена, попутный нефтяной газ сегодня нерентабельно перерабатывать. Отличие нашего времени в том, что химики активно ищут пути решения проблемы. В прошлом столетии больше внимания уделялось экономической целесообразности, что было ошибкой, так как традиционное сжигание факелами сильно ухудшило экологическую ситуацию и привело к тому, что начало ухудшаться здоровье населения планеты.

Как только общественность пришла к выводу, что ПНГ нельзя сжигать, начался поиск способов его переработки. Было найдено несколько решений. Наиболее популярный способ – фракционный.

Особенности фракционного способа

При использовании данного метода осуществляют разделение ПНГ на части, из которых он складывается. Продукты переработки это:

• широкая фракция лёгких углеводородов;
• очищенные сухие газы.

Перечисленное легко реализуется как в РФ, так и за рубежом. Проблема в том, что полученное сырьё нужно транспортировать по трубопроводам. Есть ещё один недостаток – получаемые продукты тяжелее, чем воздух, потому им свойственно скапливаться в низинах. В результате образуются облака, которые легко взрываются и могут принести значительный урон.

Закачивание нефтяного попутного газа в пласт для интенсификации нефтеотдачи

Ещё один способ рационального использования ПГН – повышение с его помощью нефтеотдачи. Для этого сырьё закачивают в пласты, чтобы повысить давление. Это позволяет добыть из скважины на 10 000 тонн больше нефти.

Данный способ требует больших затрат. По этой причине его не применяют в России. Однако метод распространён в Европе, где экологии и рациональному использованию ресурсов уделяют больше внимания.

При использовании данного метода компания должна установить специальное оборудование. Таким образом проблема не решается, но отсрочивается на некоторое время.

Метод мембранной очистки

Данная технология относится к самым перспективным методам. Суть её в том, что сырьё пропускается сквозь специальные мембраны на разных скоростях. Алгоритм такой:

1. ПНГ сжижают.
2. Сырьё разделяют в 2-х промышленных сегментах: для получения нефтехимического сырья или топлива.
3. Полученное отбензиненное вещество и ШФЛУ транспортируют в места дальнейшего применения или переработки.

Продукты переработки

У многих людей слово «газ» ассоциируется с топливом и газовой плитой. На самом же деле применение его составляющих более обширно:

• гелий – ценное сырьё, используемое в высоких технологиях, например при изготовлении медицинского оборудования и магнитных подушек для длительных поездок в общественном транспорте, при конструировании ядерных реакторов и космических спутников;
• формальдегид, один из производных метана, – сырьё, играющее большую роль в производстве фенопластов (тормозные накладки, бильярдные шары) и смол, являющихся важным компонентом строительных конструкционных материалов (фанера, ДВП), лакокрасочных и теплоизоляционных изделий;
• аммиак – используется в фармацевтической (водный раствор), сельскохозяйственной (удобрения) и пищевой (усилитель вкусовых свойств) отраслях промышленности;
• этан – сырьё, из которого производят полиэтилен;
• уксусная кислота – широко применяется в текстильной промышленности;
• метанол – топливо для автотранспорта.

Смотреть галерею

Добыча и переработка природного газа – процессы, благодаря которым эффективно развиваются важнейшие отрасли промышленности. Конечному потребителю газ поступает после тщательной обработки, его применение значительно улучшает условия быта.

Источник