Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ГЕЛИЯ НА ОСНОВЕ СЖИГАНИЯ ПРИРОДНОГО ГАЗА С ПОЛЕЗНЫМ ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ

Изобретение относится к области получения гелия из природного газа и может использоваться в газовой, нефтяной, химической и других отраслях промышленности и науке.

Гелий относится к числу благородных газов, потребность в котором постоянно растет. Благодаря своим свойствам, он находит широкое применение в разных областях промышленности: в авиационной, ракетно-космической, электронной, атомной промышленности, медицине. Гелий применяется для приготовления дыхательных смесей, в том числе для атмосферы обитаемых космических аппаратов, для глубоководного погружения, а также для лечения астмы, для наполнения дирижаблей и воздушных шариков. Он нетоксичен, поэтому вдыхание гелия в небольших количествах вместе с воздухом совершенно безвредно.

Уникальные свойства этого вещества находят применение также в металлургии - для создания защитной среды при сварке металлов, в атомной энергетике - в качестве теплоносителя в некоторых типах ядерных реакторов.

Гелий, в основном, извлекается из природного газа. В России гелий производится только на одном заводе - Оренбургском газоперерабатывающем заводе, входящем в состав ООО «Газпром добыча Оренбург». Оренбургское нефтегазоконденсатное месторождение относится к «бедным» по содержанию гелия месторождениям - объемная доля этого вещества в газе составляет до 0,055%. В «богатых» месторождениях содержится более 0,5% гелия, в рядовых - 0,1-0,5%. Все месторождения с содержанием гелия менее 0,1% причисляются к «бедным».

Извлечение гелия из природного газа, содержащего его, является стратегической задачей при эксплуатации месторождения со сколько-нибудь значительным содержанием гелия. Для России эта задача особенно актуальна, так как на таких богатых месторождениях нефти и газа, как Чаяндинское и Ковыктинское, объемное содержание гелия колеблется от 0,25% до 0,5%.

Традиционно в выделении гелия используют низкотемпературные (криогенные) методы: конденсация, ректификация и адсорбция. В современные поточные схемы производства гелия часто включают блоки селективной диффузии через мембраны. Криогенные методы основаны на способности компонентов природного газа легко конденсироваться при низких температурах. Они нашли промышленное применение, поскольку легко вписываются в систему комплексной переработки газа.

Обычно чистый гелий получают из очищенного от примесей и глубоко осушенного природного газа в три стадии: на криогенных установках выделяют гелиевый концентрат, содержащий до 80 - 90% гелия, концентрируют его до 99,98% и ожижают для удобства транспортирования и хранения. Для получения чистого гелия из сырца используются химические, адсорбционные и каталитические методы.

Известен способ получения гелия из многокомпонентного газового потока [US 4717407, 05.01.1988, B01D 53/22; С01В 23/00; F25J 3/02]. Изобретение направлено на повышение коэффициента использования исходного гелийсодержащего газа, в том числе, может использоваться природный газ. Способ представляет чередование низкотемпературной и мембранной сепарации для получения чистого гелия.

Недостатком способа является сложность технологической цепочки, что требует больших энергетических и капитальных затрат.

В качестве прототипа выбран способ извлечения гелия из природного газа [патент РФ №2478569, 16.11.2011, С01В 23/00, С07С 1/04], включающий получение гелиевого концентрата с последующей его низкотемпературной или мембранной сепарацией и адсорбционной очисткой от примесей. Перед получением гелиевого концентрата поток природного газа подвергают конверсии с получением синтез-газа, проводят каталитический синтез продуктов, которые затем конденсируют с выделением гелиевого концентрата. Технический результат - повышение коэффициента использования природного газа и снижение затрат энергии при производстве гелия.

Реализация данного способа требует больших энергетических и капитальных затрат.

Задачей изобретения является разработка экономически эффективного способа получения гелия, отличающегося простотой и низкими энергетическими и экономическими затратами на производство гелия.

Простоты по сравнению с аналогами достигают за счет уменьшения технологической цепочки процесса, что влечет к исключению сложного оборудования. Использование топочного газа позволяет применять мембранные разделители, содержащие меньшее количество мембран при сравнимой производительности по гелийсодержащему газу. Исключение из технологической цепочки сложного оборудования позволяет сократить затраты на обслуживание установки по получению гелия. Кроме того, способ позволяет решить экологические проблемы, в том числе значительно уменьшить вредные выбросы.

Для решения указанной задачи предлагается абсолютно новый способ получения гелия за счет сжигания природного газа в газовой турбине или парогенераторе. При завершении процесса горения получают газообразный продукт (топочный газ), в котором содержатся азот, двуокись углерода, вода, гелий, аргон и другие примеси. При неполном сжигании может содержаться небольшое количество метана. При получении гелия главную трудность составляет избавление от СО₂. Среди ряда методов освобождения от СО₂ наиболее перспективным является пропускание полученной смеси через полимерные мембраны, что также позволяет избавляться и от N₂.

Таким образом, согласно изобретению, способ получения гелия на основе полного сжигания природного газа с полезным использованием тепловой энергии включает сжигание природного газа в энергетической установке с получением топочного газа и последующую мембранную сепарацию топочного газа с получением обогащенного гелием газа. Топочный газ не будет содержать метан, а будет состоять из углекислого газа, азота, аргона, гелия, водяного пара и небольшого количества других примесей. Далее проблема удаления из смеси углекислого газа и азота решается пропусканием топочного газа через половолоконные мембраны. Топочный газ, проходя через экономайзер и воздухонагреватель парогенератора, будет иметь температуру около 100°С. Использование дополнительного теплообменника позволит снизить температуру топочного газа до 40-50°С, что безопасно для пропускания его через мембраны. Перепад давления на мембране составляет 0,03-0,1 МПа. При таких условиях топочный газ, пропущенный через мембранный разделитель, будет иметь концентрацию гелия, достигающую 90-95 об. %. Дополнительная очистка должна быть обеспечена химическими методами в зависимости от состава смеси.

Сжигание природного газа осуществляют в газовой турбине или парогенераторе, что позволяет получать одновременно электроэнергию и тепло. Мембранную сепарацию осуществляют в мембранном разделителе из половолоконных мембран.

На фиг. 1 показана схема процесса получения гелия на промышленной установке на основе сжигания природного газа. Здесь: 1 - газовая турбина; 2 - генератор тока; 3 - топка парового котла; 4 - компрессор; 5 - мембранный разделитель.

Природный газ, содержащий гелий, сжигают в газовой турбине 1 или парогенераторе. Посредством генератора тока 2 вырабатывают электроэнергию для собственных нужд или сторонних потребителей. Затем газ поступает в топку парового котла 3. Полученный топочный газ, состоящий из СО₂, N₂, Не и небольшого количества других газов, предварительно охлаждая и утилизируя тепло в теплообменниках, сжимают в компрессоре 4 и пропускают через мембранный разделитель 5. Количество мембран в мембранном разделителе подбирают в зависимости от требований по производительности. Для увеличения производительности необходимо использовать мембранный разделитель из большего количества мембран.

Далее гелий можно закачивать в баллоны или ожижать и транспортировать для дальнейшей реализации.

После сжигания природного газа и последующей мембранной сепарации топочного газа в полученном газе содержится порядка 95 об. % гелия. Далее после очистки - 99,9 об. %. Для сравнения - при конденсации получают газ, содержащий до 80 об. % гелия, который затем очищают до 99,9 об. %.

Способ реализуют в системе взаимосвязанных аппаратов, включающей устройство для сжигания газа, например газовую турбину или парогенератор, теплообменники, компрессор, мембранный разделитель. В зависимости от потребностей система может быть дополнена, например, фильтрами, сепаратором, устройствами для контроля процесса, емкостями для газов и др.

Проведены эксперименты, подтверждающие возможность получения обогащенного до 95 об. % гелием газа с последующей очисткой до 99 об. % и выше.

Серия опытов была организована при сжигании метана с подачей определенного количества гелия. Газ (метан) сжигали в горелке, воздух смешивали с газовым потоком и реализовывали процесс беспламенного горения с последующим охлаждением продуктов горения в теплообменнике. В воздух, подававшийся в пламя, вводили некоторое количество гелия. Схема установки приведена на фиг. 2. Здесь: 4 - компрессор, 5 - мембранный разделитель (половолоконная мембрана); 6 - горелка, 7 - теплообменник, 8 - сепаратор; 9 - фильтр; 10 - газосборник; 11 - ресивер; 12 - газовый счетчик; 13 - газовый хроматограф Agilent.

Экспериментальная установка рассчитана на производительность до 1 л/мин по гелийсодержащему газу (метану с гелием).

В горелке 6 сжигался метан с подаваемым воздухом, в который добавлялся определенный процент гелия. Газ выходил из горелки в теплообменник 7, где охлаждался до температуры, безопасной для материала мембраны. Затем газ пропускали через сепаратор 8 и фильтр 9 с целью осушения и закачивали в газосборник 10. После этого газ сжимали компрессором 4 до давления, необходимого для преодоления сопротивления мембраны. Для создания в сети запаса сжатого газа использовали ресивер 11. Сжатый газ подавался в мембранный разделитель 5, из которого выделялся гелий и остальные газы (CO₂, N₂).

С целью определения количества полученной газовой смеси использовали газовый счетчик 12. На счетчик для исследования можно подавать как гелийсодержащий газ, так и смесь остальных газов.

Измерение расхода и концентрации гелия проводилось с высокой точностью на газовом хроматографе 13 с последующей обработкой данных на высокопроизводительном персональном компьютере.

Эффективность работы мембраны проверялась в серии специальных экспериментов по разделению газовой смеси Не-Хе и экспериментах по выделению гелия из воздуха.

На выходе была получена газовая смесь с концентрацией гелия, минимум 90 об. %.

С учетом вырабатывания электроэнергии и тепла, процесс получения Не путем сжигания природного газа в энергоустановке и последующей мембранной сепарации полученного топочного газа становится экономически эффективным. Экономическая эффективность рассчитывалась на основе базовых экономических принципов, изложенных в книге "Ускорение инноваций: Совершенствование процесса разработки продукта" Марвина Л. Паттерсона, бывшего вице-президента фирмы Hewllet-Packard. Расчет зависимости объемов будущих денег от внедрения изобретения в текущей стоимости от периодов времени до поступления (выплаты) показал, что внедрение заявляемого изобретения относится к временному интервалу, соответствующему снижению количества первоначальных инвестиций без уменьшения ожидаемой прибыли.

Также следует учитывать то, что при получении гелия на месте добычи давление газа на выходе из скважины так велико, что обеспечивается достаточный уровень давления для возможности преодоления мембранного фильтра без дополнительного оборудования, что также способствует повышению эффективности.

Предлагаемый способ может быть использован на газе Ковыктинского месторождения в проекте Сила Сибири. Даже если допустить значительные утечки газа по трассе при транспортировке до спроектированного завода по получению гелия, который планируется разместить на границе с Китаем, предлагаемый способ может оказаться эффективней любого другого способа, например синтез-газового. Насколько нам известно, полное ожижение на границе с Китаем не предусмотрено.

Безусловно, сжигание всего газа с получением электроэнергии и тепла - прекрасный выход и на Чаяндинском месторождении. Электростанцию и котельную можно размещать в Якутске, обеспечивая теплом и электроэнергией весь регион и одновременно получать гелий. Проблема хранения гелия в Якутии разрешима.

Также возможен отбор газа на всем протяжении трубопровода Сила Сибири при условии строительства в городах и местах, по которым трубопровод будет проходить, например, в Иркутске, комплексов производства электроэнергии, тепла и гелия.