СПОСОБ ПОДГОТОВКИ ПОПУТНЫХ НЕФТЯНЫХ И ПРИРОДНЫХ ГАЗОВ ДЛЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ В ЭНЕРГОУСТАНОВКАХ

Изобретение относится к нефтяной и газовой промышленности, в частности к системам утилизации и использования попутных нефтяных и природных газов в автономной энергетике, преимущественно на местах добычи углеводородов, в том числе подводной добычи.

При добыче нефти в процессе сепарации выделяется большой объем растворенных в ней углеводородных попутных нефтяных газов (ПНГ). Эти газы представляют собой смесь газообразных углеводородов, различного молекулярного веса. Основными составляющими ПНГ являются углеводороды – гомологи метана от СН₄ до С₆Н_{14 .} Суммарное содержание гексана С₆Н₁₄ и более тяжелых углеводородов в ПНГ, как правило не превышает 1%, а содержание пентана С₅Н₁₀ находится в пределах 2%. Содержание инертных газов (азота и двуокиси углерода) изменяется от 1% до 5%. Основным компонентом ПНГ является метан, содержание которого в различных месторождениях составляет от 60% до 90% ПНГ, обладая таким составом с высоким энергосодержанием, они являются ценным углеводородным сырьем на месте добычи углеводородов для удовлетворения собственных нужд. Однако прямое использование ПНГ в наиболее распространенных местах нефте- и газодобычи энергоустановках на базе поршневых двигателей, в основном дизельных, возможно только при условии стабильно высокого (75% и выше) содержание углеводородов с низким октановым числом (не более 5%), прежде всего пропана и бутана. Основная масса месторождений ПНГ содержит меньше метана при высоком содержании углеводородов типа пропан, бутан, пентан, что и приводит к тому, что при использовании таких ПНГ газопоршневые энергоустановки выходят быстро из строя из-за детонации и прогаров в камерах сгорания двигателя. Вызвано это явление двумя факторами – низкой детонационной стойкостью и более высокими температурами сгорания углеводородов типа пропан, бутан, пентан (С₃ и выше) по сравнению с основным газом ПНГ – метаном. Поскольку метан является основным газом в ПНГ, то двигатель проектируется на его параметры и единственным способом обеспечить надежную работу газопоршневого двигателя на ПНГ является удаление из состава ПНГ тяжелых фракций С₃ и выше. При разработке новых газовых месторождений, в том числе на шельфе, их состав зачастую приближается к химическому составу ПНГ, и таким образом область использования для собственной энергетики таких природных газов с каждым годом будет только возрастать.

Так как предполагается использование ПНГ на месте добычи, то различные способы удаления из его состава фракций С₃ и выше, применяемые на крупных нефтеперерабатывающих заводах, такие как мембранная или криогенная технология, здесь экономически не оправданы.

Известен способ подготовки попутных нефтяных и сырых природных газов для использования в поршневых двигателях внутреннего сгорания (RU 2385897, C10L 3/10, F02M 31/00, 10.04.2010), который состоит в том, что подготавливаемый газ в смеси с кислородсодержащим газом, например с воздухом, подвергают термообработке при температуре 450-1100°С в течение 0,01-50 с при содержании свободного кислорода в смеси 0,5-5%. Термообработка может быть проведена также и в присутствии катализаторов окислительной конденсации метана, паровой, углекислотной конверсии метана, окислительного дегидрирования низших алканов или их комбинации. В качестве промоторов реакции могут выступать оксиды азота, пероксид водорода, соединения галогенов, непредельные или кислородсодержащие углеводороды или снижающие вероятность сажеобразования (пары воды). В результате при указанных условиях практически не наблюдается конверсия более легких углеводородов C1 -C4 , в то время как конверсия углеводородов С5  + , имеющих очень низкие метановые числа, превышает 95%. Основными продуктами превращения C5  + углеводородов при такой термообработке попутных нефтяных газов являются (в порядке убывания выхода) этилен, метан, этан и монооксид углерода. Таким образом обеспечивается селективная конверсия соединений, имеющих низкую детонационную стойкость и повышающих вероятность смоло- и сажеобразования, и происходит увеличение метанового числа подаваемого в энергоустановку газа.

Несмотря на то, что в указанном способе удается конвертировать углеводороды С5  + , одним из недостатков является отсутствие конверсии C2 -C4 компонент попутного нефтяного газа, имеющих невысокие метановые числа по сравнению с чистым метаном.

Наиболее близким аналогом к заявляемому изобретению, частично устранящим недостатки предыдущего аналога, является способ работы устройства подготовки попутных нефтяных газов для использования в различных энергоустановках на базе двигателей внешнего и внутреннего сгорания и газовых турбинах по патенту RU 2443764 (публик. 27.02.2012). Способ подготовки попутных или сырых природных газов производится посредством каталитической конверсии в метан. Кроме метана в качестве продуктов конверсии могут образовываться в незначительном количестве такие газы, как водород и монооксид углерода, которые улучшают показатели экономичности работы энергоустановки и снижают вредные выбросы в атмосферу. Изменяя параметры проведения каталитической конверсии, можно проводить целенаправленное регулирование количества водорода и монооксида углерода. Известный способ основан на снижении в попутных или сырых природных газах концентрации соединений газа, имеющих низкую детонационную стойкость и повыщающих вероятность смоло и сажеобразование, посредством каталитической конверсии в метан, в частности, каталитической пароуглекислотной конверсии при температуре, не превышающей 450ºС с последующей подачей конвертируемых газов в топливный тракт двигателя энергоустановки. При этом устройство подготовки состоит из системы запуска, системы подачи и дозирования реагентов, теплообменников, системы управления, каталитического реактора, содержащего по крайне мере один слой катализатора, в качестве активного компонента которого используют различные комбинации оксидов алюминия, кремния, переходных и редкоземельных элементов 4-6 периодов, в основном, четвертого и пятого периодов, преимущественно Cu, Со, Ni, Fe, Cr, Mn, Ti, Zr; La, Ce, Y, Sm, Pr, Gd, и металлов платиновой группы, в основном Pt, Pd, Rh, Ir, Ru, преимущественно Pt, Rh, Ru. Запуск устройства производят при помощи нагревателя, например электрического и/или пламенного нагревателя, работающего на воздухе и топливе, в том числе и на попутном нефтяном или сыром природном газе, и/или нагревателя-теплообменника, в который подается теплоноситель.

Т.о. в известном способе подготовки газов предложены практически все существующие виды конверсии с широкой номенклатурой катализаторов, а также всевозможные варианты систем запуска и рекуперации. Такой широкий спектр предложенных технических решений совместно с широким спектром объектов применения обеспечивает необходимый технический результат – работоспособность энергоустановки на различных составах ПНГ без вибраций и перегрева. Обратной стороной такого решения является усложнение технологии и устройств, для ее обеспечения, что приводит к снижению надежности и увеличению стоимости.

Техническим результатом заявляемого изобретения является упрощение и удешевление технологии подготовки попутных нефтяных и природных газов для использования в энергоустановках с одновременным повышением ее технических характеристик.

Указанный технический результат достигается за счет того, что в способе подготовки попутных нефтяных и природных газов для использования в энергоустановках, состоящем в снижении концентрации соединений газа, имеющих низкую детонационную стойкость и повыщающих вероятность смоло и сажеобразование, путем каталитической пароуглекислотной конверсии при температуре, не превышающей 450°С с последующей подачей конвертируемых газов в топливный тракт двигателя энергоустановки, новым является то, что в качестве двигателя энергоустановки применяют двухтопливный газодизельный двигатель, который первоначально запускают на дизельном топливе, отходящие газы газодизельного двигателя подают на катализаторный блок каталитического риформера для его разогрева, после чего осуществляют подачу в каталитический блок попутных нефтяных и природных газов, при этом в качестве окислителя для проведения каталитической пароуглекислотной конверсии используют атмосферный воздух и часть продуктов отходящих газов газодизельного двигателя, содержащих пары воды и двуокись углерода, а перед подачей конвертируемых газов в топливный тракт газодизельного двигателя осуществляют дополнительную очистку от механических частиц и охлаждение.

Очистка конвертируемых газов от механических частиц и их охлаждение может быть произведена в едином конструктивном модуле.

Для очистки конвертируемых газов от механических частиц может быть использован антициклон.

Охлаждение конвертируемых газов может быть произведено воздухом и/или охлаждающей жидкостью от системы охлаждения газодизельного двигателя.

В качестве катализаторного блока может быть использован блок, включающий металлические сетки, установленные перпендикулярно газовому потоку и сетчатый короб с мелкогранулированном керамическом носителем.

В настоящее время основным двигателем энергоустановок в отдаленных местах газонефтедобычи является дизель, работающий на привозном топливе и обеспечивающем необходимые параметры по электричеству – прежде всего по вырабатываемой мощности. При переходе на работу на ПНГ требуется, как правило, выполнение двух условий – сохранение мощности и резервирование работы на другом виде топлива, когда по каким-то причинам будет отсутствовать подача ПНГ. Использование для таких целей двухтопливных микротурбин затруднено не только из-за высокой их стоимости в диапазоне малой и средней мощности, но и более низкого электрического КПД и усложненного и нестандартной эксплуатации. Использование искрового газопоршневого двигателя может привести не только к снижению электрического КПД и мощности, но и необходимости приобретать и дизельный двигатель, т.к. искровой двигатель не является двухтопливным.

Использование в автономной энергоустановке на ПНГ двухтопливного газодизельного двигателя является наиболее рациональным решением, т.к. не теряется мощность и КПД дизеля, обеспечивается двухтопливность при перебоях в снабжении ПНГ, да и газодизельный двигатель по стоимости ниже искрового двигателя. К указанным выше преимуществам необходимо добавить еще один – на переходных режимах и в случае резкого изменения состава ПНГ, что случается довольно часто на небольших промыслах, запальная доза дизтоплива, которая составляет 10 – 15% по массе от ПНГ, будет нивелировать процесс сгорания, и не будет приводить к снижению ресурса двигателя.

Из возможных вариантов способа конверсии (паровой, воздушной, воздушно-пароуглекислотной) ПНГ для применения на отдаленных промыслах наиболее рациональным будет вариант воздушно – пароуглекислотной конверсии с использованием в качестве окислителя атмосферного воздуха и части отходящих газов газодизеля, содержащих пары воды и двуокись углерода, т.к. при высоком качестве конверсии этот способ не требует дополнительных затрат на подготовку окислителя.

Проведение каталитической конверсии ПНГ при сравнительно низких температурах (до 450ºС) позволяет отказаться от использования внешних (электрических или газовых) систем запуска, что упрощает конструкцию каталитического риформера и повышает его надежность. Производить запуск каталитического реактора предлагается только за счет пропускания через катализатор отходящих газов газодизельного двигателя, при этом достигается не только повышение температуры катализатора, но и вводится в состав окислителя еще и пары воды и двуокись углерода. Такое прием наиболее рационален, именно при использовании газодизельного двигателя, т.к. он работает с избытком воздуха, который присутствует и в отходящих газах двигателя и позволяет уменьшить расход холодного воздуха в качестве окислителя.

Использование предложенной технологии на отдаленных промыслах требует также применение компактного, дешевого каталитического риформера с высокой надежностью.

Достигается это, прежде всего за счет использования оригинального блока катализаторов, состоящего из катализаторов на базе сетчатого металлического носителя и на базе мелкогранулированного керамического носителя. При этом сетчатый катализатор устанавливается в несколько слоев, перпендикулярно газовому потоку, что обеспечивает повышенный тепломассообмен и как следствие высокую производительность и компактность, а катализатор на мелкогранулированном сферическом носителе из керамики, упакованный в сетчатую форму обеспечивает высокий ресурс катализатора.

Для обеспечения условий, при которых мощность газодизельного двигателя не снижалась бы при работе с конвертированными продуктами ПНГ, необходимо продукты риформинга ПНГ направлять в топливный тракт двигателя при более низких температурах, чем у продуктов конверсии. Для обеспечения таких температур необходимо использовать дополнительный теплообменник, а в качестве охладителя использовать атмосферный воздух или охлаждающую жидкость газодизельного двигателя. Для повышения эффективности теплообмена со стороны продуктов конверсии, а также с целью дополнительной фильтрации продуктов конверсии ПНГ от мелких механических частиц при подаче их в камеру сгорания газодизельного двигателя (сажа, частицы катализатора), предлагается газовый тракт продуктов конверсии выполнить в виде антициклона с емкостью сбора механических частиц.

На чертеже схематично изображено устройство каталитической конверсии попутных нефтяных или сырых природных газов для использования в энергоустановках, позволяющее осуществить заявляемый способ.

В качестве примера конкретного выполнения устройства, осуществляющего заявляемый способ, может служить устройство каталитической пароуглекислотной конверсии попутных нефтяных и природных газов для использования в энергоустановке на основе двухтопливного газодизельного двигателя с контуром для циркуляции охлаждающей жидкости (теплоноситель). Устройство включает каталитический риформер, блок катализаторов которого, состоит из катализаторов на базе сетчатого металлического носителя и на базе мелкогранулированного керамического носителя. При этом сетчатый катализатор устанавливают в несколько слоев, перпендикулярно газовому потоку, а катализатор на мелкогранулированном сферическом носителе из керамики, упакованный в сетчатую форму обеспечивает высокий ресурс катализатора. Улучшению работы катализатора способствует также применение в его составе первичного на базе Al₂O₃ и, вторичного на базе оксидов Li, Zr, Ge носителей и их комбинация. В качестве активной компоненты лучше использовать хорошо зарекомендовавшие себя элементы Ni, Co, Ru их комбинации. В устройство входит термопара, регулятор запуска ПНГ, теплообменник, система забора атмосферного воздуха, теплообменник-фильтр, входящий в газовый тракт продуктов конверсии, выполненный в виде антициклона с емкостью сбора механических частиц.

Заявляемый способ включает следующие операции.

Газодизельный двигатель 1 первоначально запускают на основном - дизельном топливе и для того, чтобы несколько минут отработал в режиме дизеля. Такой режим, как правило, является необходимым и при работе газодизельного двигателя 1 от природного газа, т.к. обеспечивает надежный запуск в любых погодных условиях. Часть отходящих газы газодизельного двигателя 1 подают на катализаторный блок 4 каталитического риформера 3, где в качестве окислителя для проведения каталитической пароуглекислотной конверсии используют атмосферный воздух из системы 13 и часть продуктов отходящих газов газодизельного двигателя 1, содержащих пары воды и двуокись углерода. Катализаторный блок 4 состоит из сетчатого 5 и упакованного в сетки зернистого катализаторов 6. При достижении на каталитическом блоке 4 температуры 400 - 450°С по термопаре 7, включают подачу ПНГ через регулятор 8 и каталитический риформер 3 разогревается до рабочей температуры. Далее продукты конверсии 9 поступают в теплообменник 14 и теплообменник – фильтр 10, в качестве которого используют антициклон, где они очищаются от механических частиц и охлаждаются пред подачей с помощью теплоносителя газодизельного двигателя 1 в его топливный тракт. При этом дополнительная очистка от механических частиц и охлаждение продуктов каталитической конверсии производится в едином конструктивном модуле 12. Управление работой газодизельного двигателя 1 и режимами работы каталитического риформера 3 производится блоком автоматики.

Т.о. обеспечивается надежность работы энергоустановки с одновременным снижением стоимости технологии и устройств, для ее обеспечения, благодаря рациональному выбору объекта энергоустановки и способа конверсии, упрощения системы запуска топлива и охлаждения, что дает возможность без создания дополнительной дорогостоящей инфраструктуры вовлечь в полезную переработку попутные газы, бесполезно сжигаемые до настоящего времени на большинстве нефтяных месторождений, и природные газы.