СПОСОБ УТИЛИЗАЦИИ НИЗКОПОТЕНЦИАЛЬНЫХ УГЛЕВОДОРОДНЫХ ГАЗОВ

Изобретение относится к струйной технике, в частности к способу утилизации низкопотенциальных углеводородных газов путем их эжекционного сжатия для дальнейшего использования.

Известен способ утилизации попутных перекачиваемому газу веществ в виде паров жидких углеводородов, который реализован в насосно-эжекторной в установке (а. с. СССР 1032229, МКИ5: 4 F 04 F 5/54), включающий их эжекционное сжатие высоконапорной жидкостью газообразной среды, разделение после эжекции сжатого газа, жидкости и сконденсировавшихся углеводородов, сжатый газ подают в систему газосбора, жидкость вновь насосом подается в эжектор для нагнетания газообразной среды, а сконденсировавшиеся пары легких углеводородов после повторной откачки растворенного в них газа поступают потребителю.

Описанный способ имеет следующие недостатки:
- требуются большие затраты энергии на нагнетание жидкости, которая обеспечивает процесс эжекции;
- большие потери энергии в виде тепла, выделяемого в процессе утилизации газа (до 65%).

Более совершенным является способ утилизации низкопотенциальных углеводородных газов, реализуемый в насосно-эжекторной установке по а.с. СССР 1439292, МКИ4 F 04 F 5/54. Способ включает эжекционное сжатие низкопотенциального газа высоконапорной жидкостью, разделение после эжекции сжатого газа, сконденсировавшихся углеводородов и жидкости. Сжатый газ подают на потребление, сконденсировавшиеся углеводороды смешиваются с нефтью и подаются потребителю, а жидкость подают на нагнетание, а тепло, выделяемое в процессе сжатия газа, утилизируется путем его передачи нефти, из которой выделяется низкопотенциальный газ.

При реализации данного способа утилизируется тепло, выделяемое сжимаемым газом. Это позволяет использовать данный способ в технологии на объектах нефтегазодобычи и переработки.

Однако утилизируемое тепло является низкотемпературным. Температура высоконапорной жидкости, от которой передается тепло нефти, не превышает 50-70^oС. В связи с этим использование этого тепла является недостаточным для проведения полноценного технологического процесса подготовки нефти к транспорту или ее переработки. Это снижает возможность использования данного способа утилизации низкопотенциального углеводородного газа.

Целью настоящего изобретения является повышение эффективности утилизации низкопотенциального углеводородного газа, использование тепла, полученного в процессе утилизации, и защита окружающей среды.

Поставленная цель достигается тем, что в способе утилизации низкопотенциального углеводородного газа, включающем эжекционное сжатие низкопотенциального углеводородного газа высоконапорной жидкостью, последующее разделение на сжатый газ, сконденсированные углеводороды и жидкость, использование жидкости в качестве высоконапорной и подача сжатого газа потребителю, высоконапорной жидкостью дополнительно эжектируют воздух, разделяют после эжекции сжатый воздух и жидкость, которую используют в качестве высоконапорной, создают из сжатого воздуха, сжатого газа и сконденсировавшихся углеводородов горючую смесь, которую сжигают, используют тепло продуктов сгорания и затем отводят их в окружающую среду.

Тепловую энергию продуктов сгорания регулируют высоконапорной жидкостью, которую подают в продукты сгорания, затем отделяют жидкость и отводят продукты сгорания в окружающую среду.

Высоконапорную жидкость, подаваемую в продукты сгорания, нагревают теплом смеси продуктов сгорания и жидкости, отводимой для отделения жидкости.

До использования тепловой энергии продуктов сгорания повышают их давление путем эжектирования продуктов сгорания парами высоконапорной жидкости, которые получают нагреванием высоконапорной жидкости теплом продуктов сгорания.

Продукты сгорания подвергают контакту с высоконапорной жидкостью, а затем отводят в окружающую среду.

Высоконапорную жидкость охлаждают и подают на контакт с продуктами сгорания.

Высоконапорную жидкость охлаждают сжатым воздухом, или (и) сжатым газом, или (и) сконденсировавшимися углеводородами.

Тепло продуктов сгорания используют для получения электрической энергии, которую затем используют для получения высоконапорной жидкости.

Тепло продуктов сгорания используют для выполнения технологических процессов подготовки углеводородного сырья (дегазации нефти).

Эжекционное сжатие низкопотенциального углеводородного газа и воздуха высоконапорной жидкостью производят многоступенчато в противоточном режиме.

Дополнительное эжектирование воздуха высоконапорной жидкостью, разделение после эжекции сжатого воздуха и жидкости, которую используют в качестве высоконапорной, создание из сжатого воздуха, сжатого газа и сконденсировавшихся углеводородов горючей смеси, ее сжигание, использование тепловой энергии продуктов сгорания и отвод их в окружающую среду после контакта с высоконапорной жидкостью позволило повысить эффективность утилизации низкопотенциального углеводородного газа путем использования тепла, полученного в результате его утилизации для выполнения технологических процессов подготовки углеводородного сырья (дегазации нефти) и для получения электроэнергии, а также обеспечить защиту окружающей среды от вредного воздействия компонентов: СО, NO, NO₃ и пр., содержащихся в продуктах сгорания.

Заявителю не известны способы утилизации низкопотенциального углеводородного газа, в которых бы эффективно использовалось тепло, полученное в процессе утилизации, и обеспечивалась защита окружающей среды от вредных выбросов продуктов сгорания.

Предлагаемый способ утилизации низкопотенциального углеводородного газа реализуется на установках, принципиальные схемы которых представлены на фиг. 1-7.

Эжекционное сжатие низкопотенциального углеводородного газа высоконапорной жидкостью производят в струйном аппарате 1 (фиг.1). Разделение после эжекции сжатого газа, сконденсировавшихся углеводородов и жидкости выполняют в трехфазном сепараторе 2. Жидкость подают по трубопроводу 3 на нагнетание насосом 4 для получения высоконапорной жидкости, которой эжектируют низкопотенциальный углеводородный газ и дополнительно воздух в струйном аппарате 5. Разделяют после эжекции сжатый воздух и жидкость в сепараторе 6. Из сепаратора 6 жидкость подают для получения высоконапорной жидкости по трубопроводу 7 путем нагнетания ее насосом 4. Сжатый газ из сепаратора 2 подают па потребление по трубопроводу 8. Часть сжатого газа из сепаратора 2 подают в форкамеру 9. В форкамеру 9 из сепаратора 2 могут подаваться также сконденсировавшиеся углеводороды. В форкамеру 9 подают сжатый воздух из сепаратора 6 и создают из сжатых воздуха, газа или (и) сконденсировавшихся углеводородов горючую смесь. Полученную смесь сжигают в камере сгорания 10 с получением продуктов сгорания, тепловую энергию которых используют в технологическом блоке 11. Продукты сгорания отводят в окружающую среду.

Описанный технический прием позволяет наряду со сжатием низкопотенциального углеводородного газа и подачей его потребителю получить высокотемпературное тепло, которое возможно использовать в технологии сбора, подготовки и переработки углеводородного сырья (например, для подогрева нефти, регенерации абсорбентов и адсорбентов осушки природного и нефтяного газов), а также в инфраструктуре объектов добычи и переработки углеводородного сырья. Это позволяет эффективно использовать тепло, полученное при утилизации низкопотенциальных углеводородных газов.

Тепловую энергию продуктов сгорания регулируют высоконапорной жидкостью. Высоконапорную жидкость подают по трубопроводу 12 (фиг.2) в продукты сгорания, движущиеся по газовому тракту 13 из камеры сгорания 10 в технологический блок 11. После использования тепла теплоносителя, полученного в результате смешивания продуктов сгорания и жидкости, в технологическом блоке 11, жидкость из него отделяют в сепараторе 14 и затем отводят продукты сгорания в окружающую среду.

Данный технический прием позволяет регулировать температуру получаемого тепла для выполнения различных технологических процессов и для использования в инфраструктуре.

Высоконапорную жидкость, подаваемую в продукты сгорания по трубопроводу 12 (фиг. 3), нагревают в рекуперативном теплообменнике 15 теплоносителем (смесь воды с продуктами сгорания), отводимым для отделения от него жидкости. Конденсируемую воду, полученную охлаждением теплоносителя в рекуперативном теплообменнике 15 высоконапорной водой, направляют в сепаратор 14.

Вышеизложенный технический прием позволяет рекуперировать тепло продуктов сгорания и уменьшить потери тепловой энергии.

До использования тепловой энергии продуктов сгорания повышают их давление. Для этого подают продукты сгорания в эжектор 17 (фиг.4), в котором их эжектируют парами высоконапорной жидкости. Пары высоконапорной жидкости получают в теплообменнике 16 (фиг.4) дополнительным нагреванием высоконапорной жидкости теплом продуктов сгорания, полученных в камере сжигания 10.

Описанный технический прием позволяет повысить давление смеси пара и продуктов сгорания, которую подают в технологический блок 11. Это повышает эффективность предлагаемого способа утилизации низкопотенциальных углеводородных газов путем уменьшения гидравлических проходных площадей трубопроводов, арматуры и технологических аппаратов и, как следствие, приводит к уменьшению массово-габаритных показателей установки и технологического блока в целом.

Продукты сгорания, отводимые из сепаратора 14 (фиг.5), подвергают контакту в колонном аппарате 18 с высоконапорной жидкостью, подаваемой от насоса 4 по трубопроводу 19, а затем отводят в окружающую среду.

Данный технический прием позволяет уменьшить количество вредных компонентов: СО, NO, NO₃ и пр. в продуктах сгорания, сбрасываемых в атмосферу. Это увеличивает экологичность предлагаемого способа.

Высоконапорную жидкость, которая контактирует в колонном аппарате 18 (фиг. 5) с отводимыми в окружающую среду продуктами сгорания, предварительно охлаждают в теплообменнике 20 сжатым воздухом, подаваемым по трубопроводу 23 из сепаратора 6; в теплообменнике 21 сжатым газом, подаваемым по трубопроводу 24 из сепаратора 2, и в теплообменнике 22 сконденсировавшимися углеводородами, подаваемыми по трубопроводу 25 из сепаратора 2 (фиг.5).

Этот технический прием позволяет свести к минимуму количество вредных компонентов (СО, NO, NO₃ и прочих) в продуктах сгорания, сбрасываемых в атмосферу. Это увеличивает экологичность предлагаемого способа, а также позволяет рекуперировать тепло высоконапорной жидкости и, следовательно, уменьшить потери тепловой энергии.

Часть теплоносителя (смесь продуктов сгорания с водой или паром) подают по трубопроводу 26 (фиг.6) в турбогенератор 27 для выработки электрической энергии.

Этот технический прием позволяет увеличить виды энергий, вырабатываемых предлагаемым способом. Полученную энергию используют в электродвигателе 28 (фиг.6) насоса 4 для нагнетания жидкости.

Описанный технический прием позволяет уменьшить зависимость от внешних источников энергии.

Тепловую энергию из турбогенератора 27 дополнительно подают по трубопроводу 29 (фиг.6) на потребление в технологический блок 11.

Данный технический прием позволяет использовать оставшуюся тепловую энергию с температурой порядка 140-160^oС.

Эжектирование газа и воздуха производят многоступенчато в блоках струйных аппаратов 1 и 5 (фиг.7) в противоточном режиме, подача жидкости осуществляется по патрубкам 30-32, а газа - по патрубкам 33, 34.

Этот прием повышает коэффициент полезного действия процессов сжатия воздуха и газа до величин порядка 0,6-0,75. И, в свою очередь, снижает энергопотребление на нагнетание жидкости в 1,6-1,9 раза. Это увеличивает экономичность предлагаемого способа утилизации низкопотенциальных углеводородных газов.

Реализация предлагаемого способа утилизации низкопотенциального углеводородного газа представлена на следующем примере.

Пример.

Утилизируемый углеводородный газ с расходом 1030 м³/ч содержит: метан 65,24% (масс), этан 2,26%, пропан 9,5%, бутан 8%, пентан 5%, гексан 3,5%, гептан 2,5%, октан 4%. Он имеет температуру 20^oС и начальное давление 0,102 MПa.

Эжекционное сжатие от давления 0,102 МПа до давления 0,450 MПa низкопотенциального углеводородного газа высоконапорной жидкостью производят в струйном аппарате 1 (фиг.1-7).

Высоконапорной жидкостью служит техническая вода. Расход воды составляет 300 м³/ч. Ее давление перед струйными аппаратами 1 и 5 поддерживается равным 2,5 МПа.

Разделение после эжекции сжатого газа, сконденсировавшихся углеводородов, воды выполняют в трехфазном сепараторе 2.

Сжатый газ содержит метан, этан, пропан, бутан и частично пентан.

Сконденсировавшиеся углеводороды содержат октан, гептан, гексан, частично пентан, бутан и пропан. Расход сконденсировавшихся углеводородов составляет 14 кг/ч.

Воду подают по трубопроводу 3 для ее нагнетания насосом 4 в струйные аппараты 1 и 5. Энергия, потребляемая насосом 4, составляет 250 кВт.

Высоконапорной водой дополнительно эжектируют воздух в количестве 470 м³/ч струйным аппаратом 5.

Разделяют после эжекции сжатый воздух и воду в сепараторе 6. Из сепаратора 6 воду подают по трубопроводу 7 на нагнетание насосом 4.

Сжатый газ с давлением 0,45 MПa подают на потребление по трубопроводу 8 в количестве 1000 м³/ч и в форкамеру 9 в количестве 30 м³/ч. В форкамеру 9 подаются также сконденсировавшиеся углеводороды в количестве 14 кг/ч и сжатый воздух из сепаратора 6.

Создают в форкамере 9 из сжатых воздуха, газа и сконденсированных углеводородов горючую смесь. Полученную смесь сжигают в камере сгорания 10 с получением тепловой энергии в количестве 592,77 кДж/с, подаваемой с продуктами сгорания на потребление в технологический блок 11, в котором производится дегазация 10172 кг/ч нефти путем ее нагрева от температуры 20^oС до температуры 60^oС.

Продукты сгорания, имеющие температуру 180^oС, отводят в окружающую среду после использования их тепловой энергии в технологическом блоке 11.

С целью уменьшения температуры от 1600^oС до 300^oС продуктов сгорания, подаваемых в технологический блок 11, используют высоконапорную воду, подаваемую по трубопроводу 12 (фиг.2) в продукты сгорания (движущиеся по газовому тракту 13), до использования их тепловой энергии в технологическом блоке 11. Температура продуктов сгорания снижается для уменьшения отложения кокса из нефти на теплопередающих поверхностях аппаратов, входящих в блок 11. Впоследствии воду отделяют от продуктов сгорания в сепараторе 14 при температуре 90^oС. Из сепаратора 14 отделенную воду вновь подают на нагнетание насосом 4.

До отделения жидкости (воды) из продуктов сгорания смесь охлаждают в рекуперативном теплообменнике 15 высоконапорной водой, подаваемой в продукты сгорания по трубопроводу 12.

Это позволяет рекуперировать тепло продуктов сгорания и уменьшить потери тепловой энергии.

Высоконапорную воду, подаваемую в продукты сгорания, дополнительно нагревают до парообразного состояния в теплообменнике 16 (фиг.4) и полученным паром, имеющим давление 2,5 МПа, которым эжектируют в струйном аппарате 17 продукты сгорания, повышая их давление от величины 0,45 до 0,7 MПa.

Это позволяет уменьшить гидравлические проходные площади трубопроводов, арматуры и технологических аппаратов в 1,5 раза. Что приводит к уменьшению массово-габаритных показателей установки и технологического блока в целом на 37%.

Продукты сгорания, имеющие температуру 90^oС и отводимые из сепаратора 14 (фиг. 5) в окружающую среду, подвергают контакту в колонном аппарате 18 с высоконапорной водой, подаваемой от насоса 4 по трубопроводу 19.

Это позволяет снизить температуру продуктов сгорания до величины 70^oС и тем самым уменьшить в них количество вредных компонентов (СО, NO, NO₃ и прочих) на 13,7%. Это увеличивает экологичность работы установки по заявляемому способу.

Высоконапорную воду, контактируемую в колонном аппарате 18 с отводимыми в окружающую среду продуктами сгорания, предварительно охлаждают в теплообменнике 20 (фиг.5) сжатым воздухом, подаваемым по трубопроводу 23, в теплообменнике 21 сжатым газом, подаваемым по трубопроводу 24, и в теплообменнике 22 сконденсировавшимися углеводородами, подаваемыми по трубопроводу 25, до температуры 25^oС.

Это позволяет охладить продукты сгорания до температуры 50^oС и тем самым свести к минимуму количество вредных компонентов (СО, NO, NO₃ и прочих), сбрасываемых в атмосферу. Кроме того, это позволяет эффективнее охладить отводимые продукты сгорания, более полно рекуперировать их тепло и тем самым уменьшить потери тепловой энергии.

Теплоноситель, состоящий из смеси водяного пара и продуктов сгорания, подают по трубопроводу 26 (фиг.6) в турбогенератор 27 для выработки электрической энергии в количестве 400 кВт.

Электрическую энергию в количестве 250 кВт используют в электродвигателе 28 (фиг.6) насоса 4 на нагнетание воды, а остальную энергию в количестве 150 кВт подают на потребление инфраструктурой системы сбора и подготовки углеводородного сырья.

После выработки турбогенератором 27 электрической энергии тепловую энергию в количестве 190 кВт теплоносителем, состоящим из смеси водяного пара и продуктов сгорания, подают по трубопроводу 29 (фиг.6) нa потребление в технологический блок 11.

Эжектирование газа и воздуха производят многоступенчато в блоках струйных аппаратов 1 и 5 (фиг.7) в противоточном режиме, подача жидкости осуществляется по патрубкам 30-32 и газа по патрубкам 33, 34.

Это повышает коэффициент полезного действия процессов сжатия воздуха и газа до величин порядка 0,6-0,75 и уменьшает потребление электрической энергии насосом на 90-120 кВт.

Реализация предлагаемого способа утилизации низкопотенциального углеводородного гaзa в установках, представленных на фиг.1-7, позволяет
- сжимать низкопотенциальный газ и подавать его потребителю;
- вырабатывать тепловую энергию в количестве, достаточном для выполнения технологических процессов подготовки углеводородного сырья (дегазации нефти);
- вырабатывать электрическую энергию в количестве, достаточном для внутреннего потребления приводом насоса и для потребления инфраструктурой систем сбора и подготовки углеводородного сырья;
- увеличить экологичность работы установки;
- уменьшить потери тепловой энергии путем многократного рекуперирования тепла;
- повысить коэффициент полезного действия процессов сжатия воздуха и газа.

Что указывает на высокую эффективность данного способа.