Автор: В.С. Арутюнов /Институт химической физики им. Н.Н. Семенова РАН/
Название: Попутный газ - доступное сырье для малой энергетики
Разработана технология селективного окислительного крекинга тяжелых компонентов ПНГ в более легкие высокооктановые соединения, позволяющая более широко использовать ПНГ и сырые природные газы малодебитных месторождений для собственного энергоснабжения промыслов и значительно снизить объем факельного сжигания газа.
Одна из острых проблем российской нефтегазовой отрасли - недопустимо высокий объем сжигаемых на факелах попутных газов. По зарубежным оценкам, на Россию приходится до трети сжигаемых в мире попутных газов - около 50 млрд м3/год. Надежды на быстрое решение этой проблемы с принятием закона о попутном газе безосновательны. Ведь проблема носит не юридический, а экономический характер. Проведенная для условий Поволжского федерального округа технико-экономическая оценка различных вариантов утилизации на базе существующих технологий небольших объемов попутных газов, характерных для многих сотен отечественных месторождений, показала, что все они глубоко убыточны. Для удаленных районов Сибири и Крайнего Севера эти решения будут еще более убыточными. Необходим принципиально иной подход к утилизации ПНГ, рассматривающий его не как досадную помеху при добыче нефти, а как самостоятельный ценный углеводородный ресурс, требующий разработки специальных технологий для его квалифицированного и эффективного использования.
Широко распространенное в отечественной нефтяной отрасли расточительное отношение к попутному газу парадоксальным образом сочетается с острым дефицитом энергетического топлива и многих видов необходимых для самих нефтяников химических продуктов, которые могут быть получены непосредственно из попутного газа. Поэтому наиболее реальный и экономически рациональный путь утилизации ПНГ - разработка технологий, использующих его в качестве сырья для удовлетворения собственных потребностей нефтепромыслов и прилегающих регионов в топливе и химических продуктах, замена дорогостоящей привозной продукции местным производством на базе собственного обильного и дешевого сырья.
Утилизации ПНГ в качестве энергетического топлива способствует все более очевидная тенденция мировой энергетики к децентрализации производства энергии. Децентрализация энергоснабжения с использованием местных источников энергии наиболее эффективно позволяет исключить угрозу прерывания энергоснабжения вследствие техногенных катастроф и системных аварий, вероятность которых по мере развития техносферы непрерывно нарастает. Децентрализованная энергетика дает возможность ликвидировать региональные диспропорции в развитии энергетики. Во многих случаях гораздо выгоднее экономить на электрических сетях, чем на оборудовании электростанций. Сооружение малых электростанций при некотором росте стоимости оборудования сильно снижает затраты на электрические сети. При этом общее увеличение установленной мощности, несмотря на снижение загрузки, повышает эффективность использования энергоресурсов и ведет к снижению их потерь. В связи с этим прогнозируется увеличение доли местных и индивидуальных резервирования мощности, получаемой от централизованных источников) до 25-30% мирового энергопотребления. С учетом большого количества доступных источников ПНГ и малодебитных источников природного газа в стране автономное энергоснабжение на их базе могло бы стать надежной основой местной энергетики, серьезным ресурсом ее развития.
Однако при использовании попутных и сырых углеводородных газов в качестве моторного топлива большую проблему представляют содержащиеся в них тяжелые углеводороды С5+, которые существенно снижают их метановое число (аналог октанового числа для газового топлива в двигателях с искровым зажиганием). Даже незначительная, более 1-2% об., концентрация С5+ углеводородов с низкими октановыми числами (см. таблицу) приводит к появлению детонации в двигателе и не позволяет достигнуть его номинальной мощности. Кроме того, из-за высокой склонности С5+ углеводородов к саже- и смолообразованию повышается образование нагара и увеличивается износ частей двигателя, снижается ресурс его работы.
Использование сложных газо-фракционирующих установок небольшой мощности для переработки малых объемов газов (0,2-20 млн м3/г), потребляемых энергоустановками мощностью от десятков киловатт до нескольких мегаватт, нерентабельно и лишь в редких случаях может быть экономически оправданным. Такие газо-фракционирующие установки требуют высоких эксплуатационных затрат и потребляют большое количество энергии на собственные нужды. Кроме того, выделение в таких установках тяжелых компонентов ПНГ приводит к снижению энергосодержания газа, а выделенные компоненты в условиях удаленных промыслов все равно приходится уничтожать путем их факельного сжигания.
Более рациональным решением этой проблемы является селективная окислительная конверсия тяжелых компонентов смеси в более легкие высокооктановые соединения. Технология, разработанная в Институте химической физики им. Н.Н. Семенова РАН и ООО "ОНК-ЛЕН" [1, 2], основана на селективном окислительном крекинге, который протекает в присутствии небольшого количества воздуха при атмосферном давлении, соответствующем давлению газов второй и третьей ступеней сепарации, и в достаточно мягких условиях. Образующиеся при этом более легкие молекулы, в основном водород, этилен и метан, имеют высокие октановые числа и менее склонны к смоло- и сажеобразованию. Кроме того, в небольшом количестве образуются СО, С3Н6, С2Н6.
Октановые числа нормальных алканов
Углеводород | ОЧМ | ОЧИ |
Метан | 110 | 107,5 |
Этан | 108 | 107,1 |
Пропан | 100 | 105,7 |
н-Бутан | 91,0 | 93,6 |
н-Пентан | 61,7 | 61,7 |
н-Гексан н-Гептан | 26,0 0 | 24,8 0 |
н-Октан | -17* | -19* |
Бензины прямой гонки | 41-56 | 43-58 |
*Расчет
Реактор пилотной установки селективного оксикрекинга ПНГ производительностью до 30 м3газа/час, рассчитанной на работу с газопоршневым двигателем мощностью до 100 кВт.
На рис. 1 представлена температурная зависимость конверсии тяжелых компонентов модельного ПНГ следующего состава:
СН4 81,0%
С2Н6 1,22%
С3Н8 17,0%
ХС4Н10 2,81%
ХС5Н12 1,50%
Е-С6Н14 1,83%
Рисунок 1 - Температурная зависимость конверсии компонентов модельного ПНГ в процессе селективного оксикрекинга
Разработанный процесс имеет следующие очевидные достоинства. Это простая газофазная технология, не требующая применения катализаторов, адсорбентов или каких-либо других расходных материалов. Процесс протекает при атмосферном давлении, т. е. отсутствуют затраты энергии на компри-мирование газа или его охлаждение, необходимые в традиционных технологиях сепарации. Поскольку используются все компоненты газа, не образуются требующие утилизации отходы и нет потерь начального теплосодержания газа. Процесс легко масштабируется в зависимости от реальной потребности в газе и не предусматривает специального обслуживания. Его применение может решить проблему утилизации значительной доли ныне сжигаемого ПНГ, заметно снизить затраты на производство энергии на промыслах и в прилегающих к ним регионах и повысить надежность энергоснабжения добывающих предприятий.
Литература
1. Арутюнов В.С. Использование попутного нефтяного газа в малой энергетике // Российский химический журнал. - 2010. - Т. 54. - №5. - С. 31-36.
2. Газохимическая конверсия попутного газа для малой энергетики / В.С. Арутюнов, М.Ю. Синев, В.М. Шмелев, А.А. Кирюшин // Газохимия. -2010.-№1 (11).-С. 16-20.