СПОСОБ ОЧИСТКИ И ОСУШКИ ШАХТНОГО ГАЗА И ПОПУТНОГО НЕФТЯНОГО ГАЗА И УСТАНОВКА ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

Изобретение относится к способам и устройствам очистки и осушки газообразного топлива, в частности шахтного газа и попутного нефтяного газа, от твердых и жидких компонентов перед подводом к газопоршневым двигателям и другим потребителям.

К газообразному топливу, подаваемому к различным энергетическим и энерготехнологическим установкам и в первую очередь к газопоршневым двигателям, предъявляются весьма жесткие требования, касающиеся максимально допустимых значений относительной влажности газа, а также концентрации и размеров содержащихся в нем твердых частиц. Например, в соответствии с каталогом поставщика газопоршневых установок - фирмы Guascor Pouwer, газовое топливо, используемое для газопоршневых двигателей этой фирмы, должно иметь относительную влажность не более 80%, а максимальную концентрацию твердых частиц размером 1-5 мкм не более 10-12 мг/нм³ (копия каталога прилагается).

Для получения чистого топливного газа необходимо подвергать исходный газ двум различным видам обработки - осушке и очистке. При этом желательно достичь совмещения этих видов обработки в единый комплексный технологический процесс, в результате которого из исходного шахтного продукта, содержащего в большом количестве примеси твердых частиц, а также воды в жидкой и паровой фазах, вырабатывается чистый сухой кондиционный топливный газ.

Осушка газа

Известны различные методы осушки влажных газов, большинство из них либо дорогостоящие, либо вообще неприемлемы для решения рассматриваемой задачи.

В частности, возможно получение сухого газа (с относительной влажностью ниже 100%) путем нагрева исходного газа, содержащего капельную влагу, до температуры, превышающей температуру насыщения. Однако этот способ весьма энергоемкий, т.к. требуется затрата большого количества теплоты для предварительного испарения воды, находящейся в жидкой фазе.

Осушка фильтрацией и с применением сепарирующих устройств не обеспечивает достаточно полного удаления капельной влаги и требует дорогостоящего оборудования.

Использование абсорбции для отделения из газа воды, содержащейся в нем в жидкой и паровой фазе, весьма дорогостоящее как из-за капитальных затрат на оборудование, так и с учетом эксплуатационных расходов на проведение периодической или непрерывной десорбции рабочего вещества (сорбента).

Поэтому для осушки больших количеств газа наиболее целесообразным и экономически обоснованным является трехстадийный процесс, включающий:

- охлаждение газа с частичной конденсацией содержащегося в нем водяного пара;

- сепарацию капельной влаги;

- подогрев газа, отделенного от капельной влаги, до температуры, соответствующей требуемой относительной влажности или превышающей ее.

Очистка газа

Почти все известные методы газоочистки либо не обеспечивают требуемой чистоты газа (пылеосадительные камеры, центробежные циклоны, скрубберы), либо энергоемки (электрофильтры), а тканевые рукавные фильтры вообще не могут быть использованы для очистки влажных газов (Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологи. Москва, Госхимиздат, 1961, с.169 и сл.).

Оптимальным методом для достаточно тонкой очистки газов является использование пенных аппаратов.

Известен пенный газопромыватель по патенту RU 2316382 С1, МПК⁶ B01D 47/02, 2006 г., содержащий корпус, тангенциальный патрубок для подачи загрязненного газа и вертикальную цилиндрическую контактно-выхлопную трубу, установленную соосно с корпусом, нижний конец которой помещен внутри корпуса и снабжен лопаточным закручивателем, связанным с нижней частью корпуса, причем закручиватель выполнен, по меньшей мере, с тремя лопатками трапециевидной формы, изогнутыми по спирали Архимеда, а в верхней части контактно-выхлопной трубы установлен влагоотделитель тарельчатого типа, над которым размещен патрубок для выхода очищенного газа; предусмотрено, что по мере работы аппарата отработанная рабочая жидкость удаляется и замещается свежей рабочей жидкостью; уровень рабочей жидкости поддерживается с помощью поплавкового регулятора, установленного в нижней части аппарата.

Недостатками известного технического решения являются следующие;

- сложность конструкции;

- принцип работы аппарата основан на инжекции и придании вращательного движения рабочей жидкости потоком закрученного обрабатываемого газа; следовательно, на нерасчетных режимах (например, при уменьшении расхода обрабатываемого газа) эффективность работы аппарата существенно снижается;

- в аппарате не предусмотрено разделение рабочей жидкости и воды, выделенной из обрабатываемого газа;

- в аппарате не обеспечивается возможность снижения относительной влажности обработанного газа и достижения регламентированного значения этого параметра.

Известно также устройство для очистки запыленных горячих газов и утилизации теплоты по патенту RU №2253504 С1, МПК⁶ B01D 47/04, 2004 г., содержащее корпус со сборником рабочей жидкости и патрубками подвода и отвода обрабатываемого газа и рабочей жидкости, каплеуловитель и, по меньшей мере, две ступни газоочистки, расположенные одна под другой, каждая из которых включает насадку из закрепленных в корпусе удлиненных элементов, расположенную под насадкой распределительную решетку и расположенное под распределительной решеткой устройство для подачи рабочей жидкости с отверстиями, ориентированными по газовому потоку; корпус в месте соединения двух ступеней имеет внешние карманы для сбора нагретой рабочей жидкости, карманы вышерасположенной ступени соединены с устройством для подачи рабочей жидкости в нижерасположенной ступени, а под нижней ступенью установлено дополнительное устройство для подачи рабочей жидкости, связанное с напорным трубопроводом; нагретая рабочая жидкость отводится для дальнейшего использования в качестве теплоносителя из карманов нижней секции, а свежая рабочая жидкость подводится к устройству для подачи рабочей жидкости верхней ступени.

Недостатки известного технического решения:

- сложность конструкции;

- в аппарате не предусмотрено разделение рабочей жидкости и воды, выделенной из обрабатываемого газа;

- в аппарате не обеспечивается возможность достижения требуемой относительной влажности обработанного газа;

- не обеспечивается предотвращение замораживания аппарата в стояночном режиме при отрицательных температурах окружающего воздуха.

Наиболее близким аналогом заявляемого изобретения, принятым в качестве прототипа, является аппарат для очистки газов по патенту RU №2079344 С1, МПК⁶ B01D 47/04, 1995 г., содержащий корпус с патрубками ввода и вывода газа и рабочей жидкости, группу решеток, горизонтально установленных внутри корпуса по его высоте с разделением внутренней полости корпуса на подрешеточную и надрешеточную зоны, вертикальную замкнутую перегородку, установленную внутри корпуса соосно с ним с образованием между ней и корпусом полости камеры слива рабочей жидкости, решетки закреплены по периметру внутренней поверхности перегородки, верхний торец перегородки расположен выше верхней решетки и служит его переливным порогом, а нижний торец перегородки расположен ниже нижней решетки, газоподводящую трубу, имеющую прямолинейный участок, проходящий вертикально вдоль оси корпуса через все решетки, брызгоотделитель, размещенный в надрешеточной зоне, и камеру слива рабочей жидкости.

Данный аппарат имеет следующие недостатки:

- в аппарате не обеспечивается возможность снижения и достижения требуемого значения относительной влажности обработанного газа;

- не обеспечивается предотвращение замораживания аппарата в стояночном режиме при отрицательных температурах окружающего воздуха.

- не предусмотрено раздельное удаление из аппарата отработанной рабочей жидкости, воды и выделенного твердого осадка (шлама);

- не предусмотрено поддержание оптимального уровня рабочей жидкости при периодическом сливе из аппарата воды и выгрузке шлама, а также при последующем их накоплении.

Задачей изобретения является создание способа комплексной обработки исходного газообразного топлива, например шахтного газа (ШГ) и попутного нефтяного газа (ПНГ), включающего его очистку и осушку, с получением на выходе кондиционного чистого осушенного топливного газа, пригодного для использования в энергетических и энерготехнологических производствах, в том числе в газопоршневых двигателях.

Задача изобретения заключается также в создании установки, в которой обеспечивалось бы последовательное проведение всех этапов обработки (очистки и осушки) исходного газообразного топлива с получением конечного продукта в виде чистого осушенного топливного газа, пригодного для энергетических и энерготехнологических объектов.

В соответствии с поставленными задачами разработан способ обработки газообразного топлива, согласно которому исходный газ, поступающий из шахты или из нефтяной скважины и содержащий твердые примеси и воду, предварительно охлаждают до температуры ниже точки росы с частичной конденсацией содержащихся в нем водяных паров, сепарируют основную часть воды, содержащейся в жидкой фазе в исходном газе, и влаги, сконденсировавшейся при охлаждении газа, после чего газ подают в комбинированный пенный аппарат, в котором последовательно промывают газ в пенном режиме рабочей жидкостью, не смешивающейся с водой и имеющей плотность ниже плотности воды, отделяют от брызг рабочей жидкости, уносимых с газом после его промывки, и нагревают газ до температуры не ниже значения, соответствующего требуемой относительной влажности газа, после чего очищенный и осушенный газ направляют к потребителю, а выделяющиеся из газа в процессе промывки и оседающие в нижней части пенного аппарата твердые примеси (шлам), а также воду, скапливающуюся благодаря большей плотности под слоем рабочей жидкости, периодически выводят из пенного аппарата.

Предложенный способ характеризуется также тем, что для промывки ШГ в пенном аппарате в качестве рабочей жидкости предпочтительно используют керосин, а для промывки ПНГ - содержащийся в нем газовый конденсат. Выбор керосина и газового конденсата объясняется тем, что они удовлетворяют следующим обязательным для данного способа требованиям: керосин и газовый конденсат не смешиваются с водой, а плотность их значительно ниже плотности воды, благодаря чему происходит интенсивное расслоение этих сред; кроме того, керосин и газовый конденсат имеют низкую температуру замерзания; а цена их относительно невелика.

Для решения поставленных задач и реализации предложенного способа разработана также установка для очистки и осушки ШГ и ПНГ, которая содержит газоохладитель для предварительного охлаждения исходного газа с конденсацией части содержащихся в нем водяных паров, сепаратор для удаления из потока охлажденного газа основной части воды, содержащейся в жидкой фазе в исходном газе, и влаги, сконденсировавшейся при охлаждении газа, комбинированный пенный аппарат, обеспечивающий последовательно промывку в пенном режиме охлажденного газа рабочей жидкостью, не смешивающейся с водой и имеющей плотность ниже плотности воды, отделение от брызг, уносимых с газом после его промывки рабочей жидкостью, и последующий подогрев газа для снижения его относительной влажности, резервуар рабочей жидкости, а также линию подвода исходного газа к газоохладителю, линию подвода газа, охлажденного в газоохладителе, к входу пенного аппарата, линию подвода рабочей жидкости из резервуара к пенному аппарату с установленным на ней насосом и линию слива избытка рабочей жидкости из пенного аппарата в резервуар рабочей жидкости.

При этом в качестве газоохладителя целесообразно использование преимущественно аппарата воздушного охлаждения «газ-воздух» радиально-спирального типа, а теплообменная поверхность газоохладителя и сепарационное устройство размещены последовательно по потоку газа в одном корпусе, образуя совмещенный газоохладитель-сепаратор, а в нижней части корпуса предусмотрен слив воды, выделяемой в сепараторе из потока газа.

Входящий в состав установки пенный аппарат выполнен в виде вертикального сосуда, содержащего корпус с патрубками подвода и отвода газа, патрубками подвода и отвода рабочей жидкости, патрубком слива воды и патрубком с разгрузочным устройством для удаления шлама; вертикальную замкнутую перегородку, установленную внутри корпуса соосно с ним с образованием между ней и корпусом полости кольцеобразного канала для перелива рабочей жидкости и воды; блок решеток, горизонтально установленных внутри перегородки по ее высоте и закрепленных по периметру перегородки, с разделением внутреннего объема корпуса на надрешеточную и подрешеточную полости; газоподводящую трубу, проходящую вертикально вниз вдоль оси корпуса через все решетки; брызгоуловитель и подогреватель газа, установленные в надрешеточной полости последовательно по ходу потока очищенного газа, а подрешеточная полость состоит из трех зон, которые в соответствии с соотношением плотностей сред при работе установки заполняются последовательно сверху вниз рабочей жидкостью, водой и шламом.

Кроме того, пенный аппарат дополнительно снабжен датчиком нижнего уровня рабочей жидкости, а на линии подвода рабочей жидкости от резервуара к пенному аппарату установлен регулятор расхода, управляемый по сигналам от датчика уровня и поддерживающий в пенном аппарате уровень рабочей жидкости, необходимый для сохранения стабильного пенного режима при периодическом сливе из аппарата воды и выгрузке шлама.

Кроме того, в зоне подрешеточной полости пенного аппарата, заполняемой водой, может быть дополнительно установлен водонагреватель, вводимый в действие в периоды стоянки и/или работы установки при отрицательных температурах окружающей среды.

Ниже изобретение поясняется подробным описанием, чертежами и конкретным примером его использования.

На фиг. 1 представлена принципиальная технологическая схема установки очистки и осушки шахтного газа, в которой реализуется предлагаемый способ;

на фиг. 2 - входящий в состав установки и являющийся ее основной частью комбинированный пенный аппарат, продольный разрез.

Установка содержит:

- совмещенный газоохладитель-сепаратор 1 для предварительного охлаждения исходного газообразного топлива с конденсацией части содержащихся в нем водяных паров и удаления из потока охлажденного газа основной части воды, содержащейся в жидкой фазе в исходном газе, и влаги, сконденсировавшейся при охлаждении газа, причем теплообменная поверхность 2, охлаждаемая воздухом, и сепарирующее устройство 3 размещены последовательно по потоку газа в общем корпусе 4, а в нижней части корпуса 4 предусмотрен слив отделяемой воды;

- комбинированный пенный аппарат 5, в котором осуществляются промывка охлажденного и частично осушенного газа в пенном режиме с использованием в качестве рабочей жидкости керосина, очистка газа от брызг керосина и подогрев газа до требуемой температуры, для чего в пенном аппарате 5 последовательно по потоку газа размещены пенообразующее устройство 6, брызгоотделитель 7 и подогреватель газа 8;

- резервуар 9 керосина;

- линию 10 подвода исходного шахтного газа к газоохладителю-сепаратору 1;

- линию 11 подвода охлажденного газа из газоохладителя-сепаратора 1 к пенообразующему устройству 6 пенного аппарата 5;

- линию 12 с насосом 13 и регулятором расхода 14 подвода керосина из резервуара 9 в пенный аппарат 5;

- датчик 15 уровня керосина в пенном аппарате 5;

- линию 16 с гидрозатвором 17 слива керосина из пенного аппарата 5 в резервуар 9.

Если в пенном аппарате 5 поддерживается избыточное давление, то вместо гидрозатвора 17 на линии 16 следует устанавливать конденсатоотводчик (на чертеже не показан).

Основной частью установки является комбинированный пенный аппарат 5, показанный на фиг.2.

Пенный аппарат 5 содержит:

- вертикальный преимущественно цилиндрический корпус 18 с патрубками 19 и 20 соответственно подвода и отвода газа, патрубками 21 и 22 соответственно подвода и слива рабочей жидкости, патрубком 23 слива воды и патрубком 24 с разгрузочным устройством 25 для удаления шлама;

- вертикальную замкнутую перегородку 26, установленную внутри корпуса 18 соосно с ним с образованием между ней и корпусом 18 полости кольцеобразного канала 27 для перелива рабочей жидкости и воды, и блок решеток 28, горизонтально установленных внутри перегородки 26 по ее высоте и закрепленных по периметру перегородки 26, с разделением внутреннего объема корпуса 18 на надрешеточную и подрешеточную полости, причем верхний торец перегородки 26 расположен выше верхней решетки 28 и служит его переливным порогом;

- газоподводящую трубу 29, проходящую вертикально вниз вдоль оси корпуса через все решетки 28; при этом перегородка 26, блок перегородок 28 и газоподводящая труба 29 образуют пенообразующее устройство 6;

- брызгоуловитель 7 и подогреватель газа 8, установленные в надрешеточной полости корпуса 18 последовательно по ходу потока очищенного газа, а подрешеточная полость корпуса 18 состоит из трех зон А, Б и В, которые в соответствии с соотношением плотностей сред при работе установки заполняются последовательно сверху вниз рабочей жидкостью (в рассматриваемом примере - керосином), водой и шламом, причем сборником шлама является нижняя часть корпуса 18, выполненная преимущественно в виде опрокинутого конуса 30;

- датчик 15 уровня, обеспечивающий поддержание оптимального уровня рабочей жидкости в аппарате воздействием на регулятор расхода 14 (см. фиг.1).

В зоне Б подрешеточной полости пенного аппарата 5, заполняемой водой, может быть дополнительно установлен водонагреватель 31, вводимый в действие в периоды стоянки и/или работы установки при отрицательных температурах окружающей среды.

Для заполнения резервуара 9 керосином предусмотрена линия 32, а для слива из резервуара 9 отработанного керосина - линия 33.

Предлагаемый способ очистки и осушки ШГ и ПНГ и установка на его основе работают следующим образом.

Перед началом работы пенный аппарат 5 заполняют рабочей жидкостью (керосином) по уровню выше нижней решетки 28.

Исходный газ, содержащий различные примеси (твердые частицы, воду и водяной пар), по линии 10 поступает в совмещенный газоохладитель-сепаратор 1, где охлаждается, отдавая тепло прокачиваемому через теплообменную поверхность 2 хладоносителю, в данном случае - воздуху, причем при охлаждении газа часть содержащегося в нем водяного пара конденсируется. Затем газ прокачивается через сепарационное устройство 3, расположенное в том же корпусе 4, где основная часть воды, содержащейся в жидкой фазе в исходном шахтном газе, и влаги, сконденсировавшейся при охлаждении газа, отделяется, стекает в нижнюю часть корпуса 4 и непрерывно (через конденсатоотводчик, не показанный на чертеже) или периодически выводится из аппарата. Освобожденный от значительной части воды охлажденный газ по линии 11 направляется через патрубок 19 и газоподводящую трубу 29 в подрешеточную полость пенного аппарата 5, захватывает керосин, поднимается вверх через решетки 28 внутри перегородки 26 и образует высокотурбулизированную газожидкостную смесь в виде подвижной нестабильной пены, в которой происходит очистка газа и другие массообменные процессы. При этом обеспечивается хороший контакт фаз между керосином и газом, а также между керосином и твердыми частицами, содержащимися в газе. Над верхней решеткой 28 пена перетекает через порог, образуемый верхним торцом перегородки 26, и попадает в кольцеобразный канал 27, где разрушается. Газовая фаза поднимается вверх и попадает в надрешеточную полость, откуда, пройдя через брызгоотделитель 7, поступает в подогреватель 8, в котором нагревается до температуры не ниже значения, соответствующего требуемой относительной влажности газа, после чего очищенный и осушенный газ через патрубок 20 направляется к потребителю, а керосин вместе с примесями, выделенными из газа в процессе промывки, через кольцевой канал 27 стекает в подрешеточную полость. Здесь, благодаря различным значениям плотности сред, происходит их расслоение, причем твердые частицы (шлам) собираются в нижней части (в зоне А), вода - в средней части (в зоне Б), а керосин - над водой (в зоне В) пенного аппарата 5.

Непрерывная циркуляция керосина в пенном аппарате 5 обеспечивается благодаря кинетической энергии потока обрабатываемого газа.

Накапливающиеся в подрешеточной полости вода и шлам периодически выводятся из пенного аппарата 5. В процессе накопления этих продуктов постоянный уровень керосина в пенном аппарате 5 поддерживается благодаря тому, что излишек керосина сливается из аппарата в резервуар 9 по линии 16, снабженной гидрозатвором 17 (или конденсатоотводчиком). Для того чтобы в процессе слива воды и выгрузки шлама уровень керосина в аппарате сохранялся на необходимом уровне, осуществляется подпитка аппарата из резервуара 9 насосом 13 по линии 12 через установленный на ней регулятор расхода 14, управляемый датчиком уровня 15.

В периоды стоянки и/или работы установки при отрицательных температурах окружающей среды, для предотвращения замерзания воды, накапливаемой в пенном аппарате 5, может вводиться в действие нагреватель 31, размещенный в зоне Б подрешеточной полости пенного аппарата 5.

Пример реализации изобретения

Для обеспечения работы газопоршневого двигателя необходимо обеспечить очистку и осушку 6000 нм³/ч ШГ. Относительная влажность кондиционного топливного газа, получаемого в результате обработки, должна быть не более 80%. Состав исходного ШГ (округленно), мольн.%: CH₄ - 50,0; N₂ -33,0; O₂ - 8,5; H₂O - 7,5; прочие примеси (газы и твердые частицы). Температура газа на входе в установку - 45°С, относительная влажность - 100%. Исходный ШГ подают в газоохладитель-сепаратор, в котором в качестве охлаждающей среды используют воздух. Газ охлаждают до температуры 25°С, после чего освобождают в сепараторе от капельной влаги. Относительная влажность газа за газоохладителем-сепаратором сохраняется 100%. Затем газ пропускают через пенный аппарат с керосином в качестве рабочей жидкости, где газ сначала очищают от твердых примесей, после чего в брызгоотделителе освобождают от уносимых капель керосина, а в радиально-спиральном нагревателе с теплофикационной водой с температурой на входе 70% в качестве греющей среды повышают температуру очищенного газа на 10-15°С, снижая тем самым относительную влажность полученного топливного газа со 100 до 70-75%. Тем самым обеспечивается выполнение требования по относительной влажности получаемого топливного газа не более 80% даже при некотором подохлаждении газа на тракте от описываемой установки до конечного потребителя.

Преимущества данного способа и установки для его осуществления:

1. Предлагаемый способ обеспечивает комплексную обработку исходного газа, включающую его очистку и осушку, с получением на выходе кондиционного чистого осушенного топливного газа, пригодного для использования в энергетических и энерготехнологических производствах, в том числе в газопоршневых двигателях.

2. В разработанной установке обеспечивается последовательное проведение всех этапов обработки (очистки и осушки) исходного газа с получением конечного продукта в виде чистого осушенного топливного газа.

3. Благодаря использованию рабочей жидкости, не смешивающейся с водой и имеющей плотность меньше плотности воды, обеспечивается возможность раздельного вывода рабочей жидкости и воды из установки, а также длительный цикл использования в установке одной заправки рабочей жидкости.

4. Обеспечивается поддержание оптимального уровня рабочей жидкости в пенном аппарате на различных этапах работы установки - как в периоды накопления в пенном аппарате шлама и воды, а также при сливе воды и выгрузке шлама.

5. Предотвращается замерзание воды в периоды стоянки и/или работы установки при отрицательных температурах окружающей среды.

6. Конструкция составных частей установки достаточно проста.