Способ переработки попутного нефтяного газа

Нетрадиционная утилизация ПНГ Переработка попутного газа в естественные компоненты нефти

Одной из основных проблем нефтегазового сектора остаётся проблема сжигания попутного нефтяного газа (ПНГ). Какие решения проблемы предлагают современные предприятия?

На решение проблемы утилизации ПНГ в последние годы были направлены значительные усилия как нефтедобывающих предприятий, так и государства. По состоянию на 2017 г., в стране ежегодно добывают 50 млрд м 3 нефтяного газа и лишь 26 % из этого объёма направляется на переработку, ещё 47 % используется на месте в нуждах промысла и списывается, а оставшиеся 27 % сжигаются. Неоднократно звучали оценки, что 95-процентная утилизация ПНГ в России ожидается лишь к 2035 г. В рамках этой задачи компании разрабатывают альтернативные решения, позволяющие сократить издержки, повысить рентабельность и развивать новое наукоёмкое бизнес-направление.

Среди причин низкой рентабельности процесса утилизации стоит отметить: удаленность скважин от объектов газопереработки; неразвитые или отсутствующие системы сбора, подготовки и транспортировки газа; вариативность объемов добываемого газа; присутствие примесей, затрудняющих переработку; низкая стоимость газа в сочетании с крайне низкой заинтересованностью в финансировании подобных проектов.

При всем разнообразии методов утилизации ПНГ (рис. 1) в первую очередь реализуются наименее затратные и направленные на удовлетворение собственных нужд – закачка ПНГ в пласт, использование в качестве топлива для выработки тепловой энергии. Значительным прогрессом было массовое использование ПНГ в качестве топлива при генерации электроэнергии уже не только для собственных нужд, но и для обеспечения ею сторонних потребителей. Но сегодня эти методы близки к пределу своего потребления, так как собственные нужды нефтедобывающих предприятий ограничены, а продажа избытка выработанной электроэнергии имеет ряд ограничений и не всегда экономически целесообразна.

Дальнейшее развитие процесса утилизации ПНГ неизбежно приводит к пониманию того, что ПНГ – это, по сути, ценный товарный продукт. Соответственно, следующий логичный шаг – выделить его составляющие (обладающие более высокой добавочной стоимостью) и реализовать их на рынке как самостоятельные продукты. Это уже технологически сложные и финансово ёмкие технологии, сводящиеся, как правило, к следующей схеме (риc. 2).

При большом выборе применяемых технологий для собственно газоразделения, выделения и утилизации кислых (инертных) компонентов (низкотемпературные сепарация и конденсация, абсорбционные, мембранные и др.) основным критерием целесообразности их применения остается окупаемость.

К сожалению, основным препятствием для реализации подобных решений остается большая удаленность месторождений и неразвитая инфраструктура. ПНГ насыщен тяжёлыми углеводородами и различными примесями, что значительно осложняет процесс его транспортировки по трубопроводным системам без предварительной подготовки. Прокладка трубопроводов к газоперерабатывающим предприятиям сопряжена с высокой стоимостью реализации таких проектов.

Стоимость километра трубопроводной магистрали для перекачки ПНГ доходит до $1,5 млн. В связи с транспортными расходами себестоимость перекачки 1 тыс. кубометров газа обходится примерно в $30. Для сравнения, затраты на получение такого же количества природного газа (например, на предприятиях «Газпрома») составляют около $7. Себестоимость добычи и транспортировки ПНГ – до 150 рублей и 300 рублей за 1 тыс. кубометров соответственно, цена на такой газ на рынке устанавливается не выше 500 рублей, что автоматически делает любой способ переработки рентабельным только при весьма значительных объемах.

Абсолютно логично в такой ситуации, что наименее охваченными с точки зрения утилизации ПНГ остаются наиболее удаленные месторождения, с малым и средним дебитом газа. В первую очередь для них, а в перспективе и для остальных целесообразно рассмотреть применение наиболее современных и технологичных химических методов переработки ПНГ. Идея подвергать ПНГ глубокой переработке совершенно не нова и имеет достаточно большую историю. Однако широкого распространения в сегменте малых и среднетоннажных производств не получила в силу высокой цены и технологической сложности. Применяя современные технологии переработки, можно получить из ПНГ товарные продукты не просто с высокой добавленной стоимостью, но одновременно имеющие применение в собственных технологических процессах нефтедобывающих предприятий и одновременно являющиеся естественными компонентами нефти, что позволяет в случае невозможности их использования на месте или самостоятельной коммерческой реализации просто смешать их с товарной нефтью без ухудшения ее качества (а в большинстве случаев с повышением ее качества).

Одним из перспективных процессов химической переработки ПНГ является метод каталитического преобразования тяжелой фракции (С3+) в смесь ароматических углеводородов (бензол, толуол, ксилол) – рис. 3.

Основное достоинство данного метода заключаются в его относительной простоте (процесс одностадийный, технологический режим достаточно мягкий). Помимо собственно химического реактора, в составе технологического оборудования присутствуют только стандартные элементы (теплообменники, сепараторы, насосы, накопительные емкости и т.д.). Процесс известен за рубежом, имеет иностранные реализации («Cyclar» от компании UOP), но важен тот факт, что имеются отечественные катализаторы для него (производящиеся серийно). Компания «ХИММАШ-АППАРАТ» способна реализовать технологию полностью отечественного производства (в т.ч. используя оборудование собственного производства).

Полученный концентрат ароматических углеводородов – это достаточно ценное сырье для нефтехимической промышленности, возможна его самостоятельная реализация. Однако стоит заметить, что концентрат аренов можно свободно подмешать к товарной нефти без ухудшения ее качества, более того происходит значительное снижение вязкости нефти и этот факт можно использовать при разбавлении высоковязких нефтей, тем самым значительно снизить затраты на их транспортировку [1]. Кроме того, этот концентрат является очень эффективным растворителем и может эффективно использоваться для повышения нефтеотдачи на месторождениях вязких нефтей [2].

Однако процесс ароматизации ПНГ не позволяет произвести полную его утилизацию. Непосредственно преобразованию подвергается только тяжелая фракция (С3+). Метан и частично этан в процессе не участвуют и в неизменном виде попадают на выход установки. Соответственно их дальнейшее использование требует отдельных решений. По сути, это природный газ и его можно подать в магистральный трубопровод, но с предварительной регулировкой точки росы по воде (осушкой).

В случае если этот вариант не приемлем, возможна дальнейшая переработка. Доступные на данный момент решения исключительно многостадийные, и первым этапом требуется конверсия исходного газа (метана) в синтез-газ (смесь монооксида углерода и водорода). Традиционно применяется один из трех вариантов конверсии: паровая, углекислотная, парциальное окисление, каталитическое парциальное окисление. У всех методов есть свои особенности, и в разных ситуациях все они могут быть применены, однако по совокупности факторов компания «ХИММАШ-АППАРАТ».” считает целесообразным применение каталитического парциального окисления. Помимо фундаментальных преимуществ (высокая скорость реакции, например), дополнительные бонусы от применения данного процесса (в виде существенного уменьшения металлоемкости и стоимости) можно получить, применяя оригинальные разработки нашей компании в области проектирования и производства изотермических реакторов. Для дальнейшего использования полученного синтез-газа уже имеются несколько вариантов использования (рис. 4).

Наиболее известен метод Фишера-Тропша, позволяющий получить из синтез-газа смесь углеводородов. Однако непосредственно он достаточно сложен, с инженерной точки зрения, и продукт, получаемый этим методом, не является конечным. По сути, это полуфабрикат, требующий дополнительной переработки. И, кроме того, просто добавить в товарную нефть его по современным представлениям крайне не рекомендуется, так как это приводит к отложению парафинов. Гораздо более привлекательным является процесс синтеза метанола из синтез-газа. Процесс достаточно изучен и, самое главное, сырьем для него может служить синтез-газ, забалластированный инертными компонентами (например, азотом), что существенно удешевляет его реализацию (так как не требуется дополнительная очистка сырьевого газа). Метанол при этом является вполне востребованным продуктом, в том числе для собственных нужд нефтедобывающих предприятий (в качестве ингибитора гидратообразования). Кроме того, метанол является сырьем для процесса STG+, признанного наиболее целесообразным методом получения высокооктановых моторных топлив.

Применяя перечисленные технологии, компания «ХИММАШ-АППРАТ» способна предложить своих клиентам технологическое оборудование, позволяющее полностью утилизировать ПНГ, в том числе непосредственно на месте его добычи.

Существенным преимуществом наших решений является применение уникальных изотермических реакторов, использующих принципиально новый принцип поддержания равномерного температурного поля в реакционной зоне. Вместо классического метода циркуляции (нагрева и охлаждения) теплоносителя, используется процесс испарения и конденсации теплоносителя. В результате удельная величина переносимой тепловой энергии увеличивается в несколько раз, что позволяет конструировать очень компактные реакторы с высокой объемной подачей исходного сырья. Конструкция реактора, позволяющая создать абсолютно равномерное температурное поле при малых габаритах, имеет следующие преимущества:

— Отсутствует эффект масштабирования;

— Увеличивается межрегенерационный пробег катализаторов в среднем на 20-30 %;

— Увеличивается выход целевого продукта в среднем на 10-15 %;

— Исключается образование побочных продуктов;

— На 60-80 % уменьшаются габариты реактора.

Отдельно стоит остановиться на предварительной подготовке сырьевого газа. В

случае присутствия в нем сероводорода (это яд для всех типов катализаторов) придется осуществить его выделение и утилизацию. В настоящее время имеется ряд технологий утилизации сероводорода, но каждая из них обладает фундаментальными ограничениями.

В качестве надежных и недорогих (с точки зрения оборудования) зарекомендовали себя реагентные методы удаления серы из ПНГ. Однако при невысокой стоимости оборудования они предполагают большие расходы собственно реагентов, что в итоге делает данные методы весьма дорогими в эксплуатации.

Наиболее распространенной альтернативой вышеприведенному способу может служить установка Клауса (самое распространенное решение на данный момент). Однако эта технология отличается конструктивной сложностью, интенсивным образованием побочных веществ и невысокой степенью конверсии в каталитических ступенях. Наконец, сегодня широко внедряются методы, основанные на каталитическом процессе парциального окисления сероводорода с использованием катализатора на основе хелатного железа. Существует две вариации данного катализатора – жидкофазная и твердофазная. Использование жидкофазного катализатора обеспечивает высокую степень утилизации сероводорода при относительно невысокой цене оборудования. Кроме того, в этом случае нет необходимости в проведении предварительного выделения сероводорода из исходного газового потока (например, с помощью аминовой очистки). Однако при этом жидкофазный катализатор собирает в себе мелкодисперсную серу, из-за чего начинается его деградация и образуются побочные вещества. По этой причине возникает необходимость периодически обновлять катализатор, а излишки утилизировать. Это приводит в итоге к значительному росту эксплуатационных расходов. Кроме того, возникает проблема утилизации полученного серного кека, который представляет собой смесь из растворителя, воды, катализатора и прочих примесей. Технологии удаления серы, основанные на использовании твердофазного катализатора, лишены этих недостатков. Однако они требуют решения проблемы отвода излишков тепла, выделяемого при парциальном окислении сероводорода. Решение может заключаться в применении механически прочного катализатора (разработки Института катализа СО РАН). В этом случае требуется использование реактора с «псевдоожиженным» слоем катализатора. Однако применение эффективных изотермических реакторов позволяет корректно решить проблему отвода тепла и в этом случае возможно использование катализаторов, работающих в «неподвижном» слое. Это дает возможность сконструировать технологический узел сероочистки, работающий с произвольными концентрациями сероводорода, обеспечивающий высокую степень конверсии сероводорода в элементарную серу и нечувствительного к сторонним факторам (например, локальным скачкам концентрации сероводорода).

В заключение стоит отметить, что описанная схема переработки ПНГ применима к другим углеводородсодержащим газам и может применяться для монетизации, в том числе, малоликвидного сырья (шахтный газ, биогаз, пиролизный газ и т.д.), что открывает широкие перспективы создания экономически эффективных химических перерабатывающих производств, в том числе малой и средней производительности.

1. Влияние растворителей на вязкостно-температурные свойства высоковязкой нефти. Павлов И.В., Дружинин О.А., Мельчаков Д.А., Твердохлебов В.П., Бурюкин Ф.А., Грайвороновский И. С., Герилович Е.Е. ОАО «АНПЗ ВНК», Сибирский ФУ
2. Обоснование комплексной технологии обработки призабойной зоны пласта на
залежах высоковязких нефтей с трещинно-поровыми коллекторами Рощин П.В.
Горный университет.

Источник

Переработка попутного нефтяного газа (ПНГ)

Прежде всего, давайте выясним, что понимают под термином «попутный нефтяной газ» или ПНГ. Чем он отличается от традиционных добываемых углеводородов и какими особенностями обладает.

Уже из самого названия видно, что ПНГ имеет непосредственное отношение к добыче нефти. Это смесь газов, либо растворенная в самой нефти, либо находящаяся в так называемых «шапках» углеводородных месторождений.

Состав

В попутном нефтяном газе, в отличие от традиционного природного, помимо метана и этана, содержится существенное количество более тяжелых углеводородов, таких как пропан, бутан и так далее.

Анализ 13 различных месторождений показал, что процентный состав ПНГ имеет следующий вид:

• метан: 66.85-92.37%,
• этан: 1.76-14.04%,
• пропан: 0.77-12.06%,
• изобутан: 0.02-2.65%,
• н-бутан: 0.02-5.37%,
• пентан: 0.00-1.77%,
• гексан и выше: 0.00-0,74%,
• двуокись углерода: 0.10-2.77%,
• азот: 0.50-2.00%.

В одной тонне нефти, в зависимости от расположения конкретного нефтеносного месторождения, содержится от одного до несколько тысяч кубометров попутного газа.

Получение

ПНГ является побочным продуктом нефтяной добычи. При вскрытии очередного пласта первым делом начинается фонтанирование расположенного в «шапке» попутного газа. Он обычно является более «легким» по сравнению с растворенным непосредственно в нефти. Таким образом, на первых порах процент метана, содержащегося в ПНГ, довольно высок. Со временем при дальнейшем освоении месторождения его доля сокращается, зато увеличивается процент содержания тяжелых углеводородов.

Способы утилизации и переработки попутных газов

Известно, что ПНГ обладает высокой теплотворной способностью, уровень которой находится в диапазоне 9-15 тысяч Ккал/м 3 . Таким образом, он может эффективно использоваться в энергетике, а большой процент тяжелых углеводородов делает газ ценным сырьем в химической промышленности. В частности, из ПНГ можно изготавливать пластмассы, каучук, высокооктановые топливные присадки, ароматические углеводороды и так далее. Однако успешному использованию в экономике попутного нефтяного газа мешают два фактора. Во-первых, это нестабильность его состава и наличие большого количества примесей, а во-вторых, необходимость существенных затрат на его «осушку». Дело в том, что нефтяные газы обладают уровнем влагосодержания, равным 100%.

Сжигание ПНГ

Из-за сложностей переработки долгое время основным способом утилизации нефтяного газа являлось его банальное сжигание на месте добычи. Этот варварский метод приводит не только к безвозвратной потере ценного углеводородного сырья и к растрачиванию впустую энергии горючих компонентов, но и к серьезным последствиям для окружающей среды. Это и тепловое загрязнение, и выброс огромного количества пыли и сажи, и заражение атмосферы токсичными веществами. Если в других странах существуют огромные штрафы за такой способ утилизации нефтяного газа, делая его экономически невыгодным, то в России дела обстоят намного хуже. В отдаленных месторождениях при себестоимости добычи ПНГ 200-250 руб./тыс. м 3 и стоимости транспортировки до 400 руб./тыс. м 3 продать его можно максимум за 500 руб., что делает нерентабельным любой способ переработки.

Закачка ПНГ в пласт

Поскольку попутный газ добывается в непосредственной близости от месторождения нефти, его можно использовать в качестве инструмента для повышения уровня отдачи пласта. Для этого осуществляется закачка ПНГ и различных рабочих жидкостей в пласт. По результатам практических измерений оказалось, что дополнительная добыча с каждого участка составляет 5-10 тысяч тонн в год. Такой способ утилизации газа все же предпочтительнее по сравнению со сжиганием. Кроме того, имеются современные разработки по увеличению его эффективности.

Фракционная переработка попутного нефтяного газа (ПНГ)

Внедрение данной технологии позволяет достигать повышения рентабельности и эффективности производства. Товарными продуктами, получаемыми в результате переработки углеводородного сырья, являются: газовый бензин, стабильный конденсат, пропан-бутановая фракция, ароматические углеводороды и многое другое. В целях оптимизации затрат перерабатывающие заводы в основном строятся на крупных газовых и нефтяных месторождениях, а на малых месторождениях благодаря достижениям научно-технического прогресса используется блочное компактное оборудование по переработке сырья.

Очистка ПНГ

Переработка ПНГ начинается с его очистки. Очистка от механических примесей, двуокиси углерода и сероводорода проводится для улучшения качества продукта. Сначала ПНГ охлаждается, при этом все примеси конденсируются в башнях, циклонах, электрофильтрах, пенных и прочих аппаратах. Затем проходит процесс осушки, при котором влага поглощается твердыми или жидкими веществами. Данный процесс считается обязательным, так как излишнее количество влаги значительно увеличивает расходы на транспортировку и затрудняет использование конечного продукта.

Рассмотрим самые распространенные сегодня методы очистки ПНГ.

• Сепарационные методы. Это самые простые технологии, применяемые исключительно для выделения конденсата после компримирования и охлаждения газа. Методы могут быть использованы в любых условиях и отличаются низким уровнем отходов
• Однако качество получаемого ПНГ, особенно при низких давлениях, невысокое. Углекислый газ и сернистые соединения не удаляются.
• Газодинамические методы. Основаны на процессах преобразования потенциальной энергии высоконапорной газовой смеси в звуковые и сверхзвуковые течения. Используемое оборудование отличается низкой стоимостью и простотой эксплуатации. При низких давлениях эффективность методов невысока, сернистые соединения и CO₂ также не удаляются.
• Сорбционные методы. Позволяют осуществлять осушку газа как по воде, так и по углеводородам. Кроме того, возможно удаление небольших концентраций сероводорода. С другой стороны, сорбционные методы очистки плохо адаптируются к полевым условиям, а потери газа составляют до 30%.
• Гликолевая осушка. Используется в качестве самого эффективного способа удаления влаги из газа. Данный метод востребован в качестве дополнения к другим способам очистки, поскольку ничего кроме воды он не удаляет. Потери газа составляют менее 3%.
• Обессеривание. Еще один узкоспециализированный набор методов, направленный на удаление из ПНГ сернистых соединений
• Для этого используются технологии аминовой отмывки, щелочной очистки, процесс «Серокс» и так далее. Недостатком является 100% влажность ПНГ на выходе.
• Мембранная технология. Это самый эффективный метод очистки ПНГ. Его принцип основан на различной скорости прохождения отдельных элементов газовой смеси через мембрану. На выходе получаются два потока, один из которых обогащен легкопроникающими компонентами, а другой — труднопроникающими. Раньше селективных и прочностных характеристик традиционных мембран было недостаточно для очистки ПНГ. Однако сегодня на рынке появились новые половолоконные мембраны, способные работать с газами, имеющими высокую концентрацию тяжелых углеводородов и сернистых соединений. Специалисты НПК «Грасис» в течение нескольких лет проводили испытания на различных объектах и пришли к выводу, что данная технология на базе новой мембраны способна существенно снизить затраты на очистку ПНГ. Соответственно, имеет серьезные перспективы на рынке.

Анализ ПНГ

Рентабельна ли фракционная утилизация попутного нефтяного газа, можно выяснить после того, как будет проведен тщательный анализ на предприятии. Современное оборудование и инновационные технологии открывают для данного метода новые просторы и безграничные возможности. Переработка ПНГ позволяет получить «сухой» газ, который по своему составу близок к природному и может быть использован на промышленных или коммунально-бытовых предприятиях.

Проведенные исследования подтвердили, что прекращение сжигания попутного нефтяного газа приведет к тому, что с помощью современного оборудования для переработки можно будет получить дополнительного около 20 млн. кубометров сухого газа в год.

Использование ПНГ при эксплуатации малых энергетических объектов

Еще одним очевидным способом утилизации такого газа является использование его в качестве топлива для электростанций. Эффективность ПНГ в таком случае может достигать 80% и выше. Разумеется, для этого энергоблоки должны быть расположены максимально близко к месторождению. Сегодня на рынке представлено огромное количество турбинных и поршневых установок, способных работать на ПНГ. Дополнительным бонусом является возможность использовать выхлопной газ для организации системы теплоснабжения объектов месторождения. Кроме того, его можно закачивать в пласт для повышений нефтеотдачи. Следует отметить, что данный метод утилизации ПНГ уже сегодня широко применяется в России. В частности, нефтегазовые компании строят газотурбинные электростанции на своих отдаленных месторождениях, что позволяет вырабатывать более миллиарда киловатт-часов электроэнергии в год.

Технология «Gas-to-liquids» (химическая переработка ПНГ в топливо)

Во всем мире данная технология развивается стремительными темпами. К сожалению, ее внедрение в России существенно осложняется. Дело в том, что подобный метод рентабелен только в жарких либо умеренных широтах, а у нас добыча газа и нефти осуществляется в основном в северных регионах, в частности, в Якутии. Для адаптации технологии под наши климатические особенности требуется серьезная исследовательская работа.

Криогенная переработка ПНГ в сжиженный газ

Еще одна технология, использующая метод сжижения на базе замкнутого однопоточного холодильного цикла. Самые рентабельные из существующих на сегодня установок позволяют осуществлять переработку до 3 миллиардов м 3 сырья в год. Наиболее эффективным применение подобных установок будет на распределительных станциях. При этом их производительность будет напрямую зависеть от диапазона перепада давлений на входе и выходе станции.

Источник