Способ работы устройства подготовки попутных нефтяных газов для использования в энергоустановках


 


Владельцы патента RU 2443764:

Учреждение Российской академии наук Институт катализа им. Г.К. Борескова Сибирского отделения РАН (ИК СО РАН) (RU)
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Новосибирский национальный исследовательский государственный университет" (НГУ) (RU)

Изобретение относится к нефтяной и газовой промышленности, в частности к системам утилизации и использования попутных нефтяных и сырых природных газов в энергетике. Описан способ работы устройства подготовки каталитической конверсией попутных нефтяных или сырых природных газов для использования в энергоустановках. Устройство состоит из системы запуска, системы подачи и дозирования реагентов, конвертора, теплообменников, системы управления. В конверторе установлен катализатор, позволяющий конвертировать в метан соединения, присутствующие в попутных нефтяных и сырых природных газах, имеющие низкую детонационную стойкость и повышающие вероятность смоло- и сажеобразования. Изобретение обеспечивает возможность эффективной утилизации и полезного использования попутных нефтяных или сырых природных газов в энергоустановках. 15 з.п. ф-лы, 1 ил., 7 табл.

 

Изобретение относится к нефтяной и газовой промышленности, в частности к системам утилизации и использования попутных нефтяных и сырых природных газов в энергетике.ц

При добыче нефти в процессе сепарации выделяется большой объем растворенных в ней попутных нефтяных газов (ПНГ). Они представляют собой смесь газообразных углеводородов различного молекулярного веса, в основном подразделяемую на метан и так называемую широкую фракцию легких углеводородов (ШФЛУ). Эти попутные газы, обладая высоким энергосодержанием, являются ценным энергетическим сырьем. Использование попутных нефтяных газов для выработки электрической и тепловой энергии с помощью, например, газопоршневых электростанций - возможно наиболее эффективный и технологичный способ его утилизации. Однако данный способ напрямую применим только на месторождениях со стабильно высоким (75% и выше) содержанием метана и низким содержанием ШФЛУ. Многие известные месторождения содержат значительно меньшие количества метана при высоком содержании ШФЛУ, вызывающих детонацию и вывод из строя газопоршневых станций на основе двигателей внутреннего сгорания или превышение допустимого уровня содержания токсичных компонент в выхлопных газах газотурбинных установок. Отдельную проблему представляет непостоянство состава ПНГ, который может быть подвержен существенным колебаниям с течением времени, иногда даже в течение суток. Одним из возможных подходов по утилизации ПНГ, известных в настоящее время, является фракционирование (например, путем разделения при низких температурах, компремирования при высоких давлениях, разделения на мембранных фильтрах или путем проведения адсорбционных процессов) на метан, пригодный для выработки электрической и тепловой энергии, и ШФЛУ, используемую в качестве сырья для химической промышленности. Поскольку данный процесс экономически оправдан только в условиях газоперерабатывающих заводов, нефтяные компании сталкиваются с необходимостью вкладывать значительные средства в создание газотранспортных и перерабатывающих мощностей. Строительство такой инфраструктуры экономически эффективно лишь на крупных промыслах и экономически необоснованно на средних и мелких месторождениях, особенно в отдаленных районах. В принципе, вышесказанное также относится и к сырым, то есть не прошедшим обработки природным газам, в которых доля ШФЛУ также может быть достаточно высокой. В результате, промыслы нефте- и газодобычи не могут использовать добываемые ими попутные или сырые газы для собственных нужд и вынуждены, сжигая их в факелах, использовать дорогое привозное топливо. Общим недостатком всех известных способов подготовки ПНГ и сырых природных газов для использования в энергоустановках является то, что они снижают концентрацию соединений, склонных к детонации, разделяя тяжелые и легкие компоненты и отбрасывая хоть и непригодные для данного типа двигателей, но тем не менее ценные в энергетическом отношении составляющие. Вследствие этого снижается полное энергосодержание газового топлива.

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. Например, пропан и бутан имеют метановые числа 35 и 11, соответственно, и, находясь даже в малых количествах в смеси с метаном, значительно снижают ее метановое число. Например, для смеси 95% метана, 3% пропана и 2% бутана метановое число составляет всего 72, что, согласно определению, по силе детонации соответствует топливной смеси, состоящей из 72% метана и 28% водорода.

Кроме того, известно, что большинство газопоршневых электростанций, комплектующихся приводными двигателями внутреннего сгорания (ДВС), по конструкционным материалам и условиям теплообмена рассчитаны для работы на топливном газе с низшей теплотой сгорания не более 34-36 МДж/м3. Этим значениям соответствует природный газ, состоящий в основном из метана, низшая теплота сгорания которого составляет 35,8 МДж/м3. Попутный нефтяной газ в зависимости от компонентного состава имеет низшую теплоту сгорания 42-60 МДж/м3. Например, такие C2-C5 компоненты, как этан, этилен, ацетилен, пропан, бутан и пентан, имеют низшую теплоту сгорания 63,8; 59,1; 56,0; 91,3; 118,7; 145,12 МДж/м3, соответственно. Таким образом, проведение подготовки попутного нефтяного газа для использования в энергоустановках, сохраняющее наличие в нем даже в незначительном количестве С25 компонент, будет приводить к значительным перегревам двигателя и падению его мощности вплоть до выхода из строя за счет прогорания клапанов и поршней, что влечет за собой дорогостоящий ремонт и увеличение эксплуатационных затрат.

Хорошо известно, что для экономии углеводородного топлива, снижения выбросов углекислого газа и улучшения экологических характеристик двигателя внутреннего сгорания, в особенности в режимах малых и средних нагрузок, необходимо использовать обедненную топливную смесь, т.е. при соотношении кислород/топливо (α) больше стехиометрического, причем чем смесь будет более бедная, тем большая экономия топлива будет достигаться. Однако, когда смесь становится беднее определенного уровня, обеспечить устойчивую работу двигателя становится невозможным, поскольку искра свечи зажигания перестает воспламенять такую смесь. Известно, что добавки водорода, водородсодержащих газовых смесей или синтез-газа (смеси водорода и монооксида углерода) к бедным топливным смесям позволяют производить их воспламенение в ДВС при более высоких значениях α, что приводит к снижению общего расхода топлива, а также уменьшает вредные выбросы СО и оксидов азота (US 6397790, F02B 43/08, 04.06.2002). Кроме этого водород и монооксид углерода имеют низшую теплоту сгорания 10,8 и 12,6 МДж/м3, соответственно. Таким образом, их присутствие в топливной смеси, подаваемой в энергоустановку, не будет приводить к ее перегреву, способствуя сохранению заложенного производителем ресурса работы.

Предлагаемое изобретение позволяет решать задачу эффективной подготовки попутных нефтяных или сырых природных газов для использования их в энергоустановках.

Задача решается благодаря способу работы устройства подготовки попутных нефтяных или сырых природных газов 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.

Устройство подготовки каталитической конверсией попутных нефтяных или сырых природных газов для использования в энергоустановках состоит из системы запуска, системы подачи и дозирования реагентов, конвертора, теплообменников, системы управления. В конверторе установлен, по крайне мере, один слой катализатора, позволяющего при температуре не выше 450°С конвертировать в метан соединения, присутствующие в попутных нефтяных или сырых природных газах, имеющие низкую детонационную стойкость и повышающие вероятность смоло- и сажеобразования.

В системе запуска применяемого устройства можно использовать нагреватель, например электрический и/или пламенный нагреватель, работающий на воздухе и топливе, в том числе и на попутном нефтяном или сыром природном газе, и/или нагреватель-теплообменник, в который подается теплоноситель.

Система запуска, система подачи и дозирования реагентов, конвертор, теплообменники, система управления представляют собой раздельные конструкции или могут быть интегрированы друг с другом.

Нагрев или испарение реагентов, подаваемых в устройство, а также управление температурой конвертора производят при помощи электрического нагревателя или пламенного нагревателя, или за счет рекуперации тепла газов, выходящих из конвертора, или отходящих газов энергоустановки, или путем контакта с теплоносителем, или совместного их использования в любой комбинации.

Конструкция системы подачи и дозирования реагентов в устройстве позволяет, при необходимости, проводить предварительный нагрев или испарение реагентов перед подачей в систему запуска и/или конвертор.

Конструкция устройства, в том числе материалы, из которых выполнено устройство, позволяет проводить конверсию в присутствии кислородсодержащих соединений, например паров воды и/или углекислого газа, и/или кислорода, и/или воздуха.

Система подачи и дозирования реагентов в устройстве позволяет подавать кислородсодержащие соединения, например пары воды или углекислый газ, или кислород, или воздух или любую их смесь, в различном количестве на любой из слоев катализатора в конверторе.

Задача решается способом работы устройства подготовки каталитической конверсией попутных нефтяных или сырых природных газов для использования в энергоустановках, состоящего из системы запуска, системы подачи и дозирования реагентов, теплообменников, системы управления, конвертора, 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, нагреваемый до температуры не выше 450°С, в который подают попутные нефтяные или сырые природные газы и осуществляют конверсию в метан соединений, присутствующих в попутных нефтяных или сырых природных газах, имеющих низкую детонационную стойкость и повышающих вероятность смоло- и сажеобразования.

Конверсию проводят в присутствии кислородсодержащих соединений, например паров воды или углекислого газа, или кислорода, или воздуха, или их любой смеси.

Кислородсодержащие соединения, например пары воды или углекислый газ, или кислород, или воздух или любую их смесь, можно подавать в различном количестве на любой из слоев катализатора.

Для получения максимального выхода метана при минимальном объеме устройства для любого слоя катализатора в конверторе может быть установлено определенное пространственное распределение температурного профиля, например, любой слой катализатора может находиться как в изотермичных условиях, так и в условиях градиента температуры по слою.

Конверсия может быть проведена при давлении выше атмосферного.

Кроме метана продуктами конверсии могут являться, например, водород и/или монооксид углерода, и/или углекислый газ.

Количество водорода в продуктах конверсии можно регулировать, устанавливая его содержание не более 25 об.%, преимущественно, не более 3 об.%.

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.

Перед подачей в систему запуска и/или конвертор при необходимости проводят предварительный нагрев или испарение реагентов.

Нагрев или испарение реагентов, а также управление температурой конвертора может быть осуществлено при помощи электрического нагревателя или пламенного нагревателя, или за счет рекуперации тепла газов, выходящих из конвертора, или отходящих газов энергоустановки, или путем контакта с теплоносителем, или совместного их использования в любой комбинации.

Катализаторы, установленные в конверторе в несколько слоев, могут иметь различный или одинаковый состав.

В конверторе расположен катализатор, представляющий собой армированный пористый материал, выполненный в виде плоских и гофрированных газопроницаемых армированных лент, комбинации которых образуют газопроницаемые каталитически активные каналы различной формы и геометрии.

В конверторе расположен блочный катализатор на металлическом, керамическом или металлокерамическом носителе.

В конверторе металлический, керамический или металлокерамический носитель для катализатора представляет собой прямоканальный блок, в том числе микроканальный, блочный материал со сложной конфигурацией каналов и пеноматериал.

В конверторе расположен катализатор в виде гранул различной формы и геометрии.

Каталитически конвертированные попутные нефтяные или сырые природные газы могут быть использованы в различных типах энергоустановок, например, на основе двигателей внешнего и внутреннего сгорания, газовых турбинах и др.

Отличительным признаком является применение в устройстве, по крайней мере, одного слоя катализатора, позволяющего при температуре не выше 450°С конвертировать в метан соединения, присутствующие в попутных нефтяных или сырых природных газах, имеющие низкую детонационную стойкость и повышающие вероятность смоло- и сажеобразования.

Устройство подготовки каталитической конверсией попутных нефтяных или сырых природных газов для использования в энергоустановках кроме конвертора 8 содержит систему запуска 5, систему подачи и дозирования реагентов 2, теплообменники 4, систему управления 9 (см. чертеж).

Конструктивно, система запуска 5, система подачи и дозирования реагентов 2, конвертор 8, теплообменники 4 и система управления 9 могут представлять собой как отдельные части устройства, так и быть интегрированы друг с другом.

В качестве конвертора используется каталитический реактор, содержащий один или несколько слоев катализаторов 7, обеспечивающих конверсию попутных нефтяных или сырых природных газов до метана. Катализаторы в каталитическом реакторе могут помещаться в виде гранул различной формы и размера, блоков и пеноматериала с системой газопроницаемых каналов. Для улучшения теплопроводности катализаторы могут дополнительно наноситься на металлический, керамический или металлокерамический носитель. Этот носитель может быть сформирован в структуру, содержащую систему каналов (в том числе и микроканалов) различной геометрии и конфигурации, обеспечивающих газопроницаемость через каталитический блок.

В системе запуска 5 используют электрический нагреватель 6. При запуске разогрев конвертора может осуществляться путем пропускания электрического тока непосредственно через электропроводящие элементы катализатора. В системе запуска может быть использован пламенный нагреватель, работающий на воздухе и топливе, в том числе и на попутном нефтяном или сыром природном газе, кроме этого может применяться нагреватель-теплообменник, в который подается теплоноситель с требуемой температурой.

Нагрев или испарение реагентов, а также управление температурой конвертора производят при помощи электрического нагревателя 3 и 6. Также это может быть осуществлено с применением, например, пламенного нагревателя, за счет рекуперации тепла газов, выходящих из конвертора, рекуперации тепла отходящих газов энергоустановки, контактом с теплоносителем или их совместной комбинацией.

В качестве примера, на Фиг. схематично изображено предлагаемое устройство каталитической конверсии попутных нефтяных или сырых природных газов для использования в энергоустановках в сопряжении с основными системами, обеспечивающими его функционирование.

В качестве примеров (перед таблицей приведены конкретные составы применяемых катализаторов), иллюстрирующих возможность проведения предлагаемого способа работы устройства, в таблицах 1-7 приведены результаты проведения каталитической конверсии попутных нефтяных газов в метан (состав смеси на выходе из конвертора и значения конверсии компонентов смеси). Состав смеси на входе в конвертор - 30 об.% ПНГ, 70% водяного пара.

Таблица 1
Состав смеси на выходе из конвертора с катализатором, содержащим NiO, Сr2O3 (в расчете на сухой газ). Температура катализатора в конверторе 280°С. Скорость подачи смеси на входе в конвертор: 1 м3/ч на 1 л катализатора
Состав Исходный ПНГ, об.% Газ после реактора, об.% Конверсия, %
Метан (СН4) 74,4 82,3
Этан (С2Н6) 10 0,3 95
Пропан (С3Н8) 8,4 0,1 98,5
Бутаны (С4Н10) 3,4 0,02 >99
Пентаны (C5H12) 0,8 0,001 >99
Гексаны (С6Н14) 0,2 0,001 >99
Углекислый газ (СО2) 2,8 10,3
Водород (H2) 0 7
Таблица 2
Состав смеси на выходе из конвертора с катализатором, содержащим NiO, Cr2O3, Аl2О3 (в расчете на сухой газ). Температура катализатора в конверторе 300°С.Скорость подачи смеси на входе в конвертор: 1 м3/ч на 1 л катализатора
Состав Исходный ПНГ, об.% Газ после реактора, об.% Конверсия, %
Метан (СН4) 74,4 79,2
Этан (С2Н6) 10 0,1 99
Пропан (C3H8) 8,4 0,05 >99
Бутаны (С4Н10) 3,4 0,005 >99
Пентаны (C5H12) 0,8 0,001 >99
Гексаны (С6Н14) 0,2 0,001 >99
Углекислый газ (СО2) 2,8 10,6
Водород (Н2) 0 10,1
Таблица 3
Состав смеси на выходе из конвертора с катализатором, содержащим Ru, Аl2О3 (в расчете на сухой газ). Температура катализатора в конверторе 350°С. Скорость подачи смеси на входе в конвертор: 0,5 м3/ч на 1 л катализатора
Состав Исходный ПНГ, об.% Газ после реактора, об.% Конверсия, %
Метан (СН4) 74,4 67,7
Этан (С2Н6) 10 0,01 >99
Пропан (C3H8) 8,4 0,01 >99
Бутаны (С4Н10) 3,4 0,01 >99
Пентаны (C5H12) 0,8 0,001 >99
Гексаны (С6Н14) 0,2 0,001 >99
Углекислый газ (СO2) 2,8 12
Водород (Н2) 0 18,2
Таблица 4
Состав смеси на выходе из конвертора с катализатором, содержащим Ru, Pt, Аl2О3 (в расчете на сухой газ). Температура катализатора в конверторе 350°С. Скорость подачи смеси на входе в конвертор: 0,5 м3/ч на 1 л катализатора
Состав Исходный ПНГ, об.% Газ после реактора, об.% Конверсия, %
Метан (СН4) 74,4 67,7
Этан (С2Н6) 10 0,01 >99
Пропан (С3Н8) 8,4 0,01 >99
Бутаны (С4Н10) 3,4 0,01 >99
Пентаны (C5H12) 0,8 0,001 >99
Гексаны (С6Н14) 0,2 0,001 >99
Углекислый газ (СO2) 2,8 12
Водород (Н2) 0 18,2
Таблица 5
Состав смеси на выходе из конвертора с катализатором, содержащим NiO, СеО2, Аl2О3 (в расчете на сухой газ). Температура катализатора в конверторе 350°С. Скорость подачи смеси на входе в конвертор: 0,8 м3/ч на 1 л катализатора
Состав Исходный ПНГ, об.% Газ после реактора, об.% Конверсия, %
Метан (CH4) 74,4 67,7
Этан (С2Н6) 10 0,01 >99
Пропан (С3Н8) 8,4 0,01 >99
Бутаны (С4Н10) 3,4 0,01 >99
Пентаны (C5H12) 0,8 0,001 >99
Гексаны (С6Н14) 0,2 0,001 >99
Углекислый газ (СO2) 2,8 12
Водород (H2) 0 18,2
Таблица 6
Состав смеси на выходе из конвертора с катализатором, содержащим NiO, СеО2, ZrO2, Аl2О3 (в расчете на сухой газ). Температура катализатора в конверторе 350°С. Скорость подачи смеси на входе в конвертор: 0,8 м3/ч на 1 л катализатора
Состав Исходный ПНГ, об.% Газ после реактора, об.% Конверсия, %
Метан (СН4) 74,4 67,7
Этан (С2Н6) 10 0,01 >99
Пропан (С3Н8) 8,4 0,01 >99
Бутаны (С4Н10) 3,4 0,01 >99
Пентаны (C5H12) 0,8 0,001 >99
Гексаны (С6Н14) 0,2 0,001 >99
Углекислый газ (СO2) 2,8 12
Водород (H2) 0 18,2
Таблица 7
Состав смеси на выходе из конвертора с двумя слоями катализатора, первый из которых содержит Ni, MnO2, La2O3, ZrO2, SiO2, а второй слой - NiO, Сr2О3 (в расчете на сухой газ). Температуру первого слоя катализатора в конверторе поддерживают в виде градиента от 350 до 300°С, а температура второго слоя катализатора - 250°С. Скорость подачи смеси на входе в конвертор: 0,5 м3/ч на 1 л катализатора
Состав Исходный ПНГ, об.% Газ после реактора, об.% Конверсия, %
Метан (СH4) 74,4 86,5
Этан (С2Н6) 10 0,01 >99
Пропан (С3Н8) 8,4 0,01 >99
Бутаны (С4Н10) 3,4 0,01 >99
Пентаны (C5H12) 0,8 0,001 >99
Гексаны (С6Н14) 0,2 0,001 >99
Углекислый газ (СO2) 2,8 10
Водород (Н2) 0 3,5

Один из вариантов способа работы устройства заключается в следующем.

Для запуска устройства подготовки каталитической конверсией попутных нефтяных или сырых природных газов, попутный нефтяной газ ПНГ и кислородсодержащие соединения 1 (например, воздух) при помощи системы подачи и дозирования 2, включающей соответствующие устройства, через электрический нагреватель 3 и теплообменник 4 подают в систему запуска 5, сочетающую в себе функции теплообменника. Для первоначального разогрева до нужной температуры конвертора 8, содержащего слои катализаторов 7, производят, например, пламенное сжигание подаваемого ПНГ. При этом образующиеся в результате полного окисления горячие продукты реакции (углекислый газ и пары воды), проходя через теплообменник 4, могут также проводить предварительный подогрев или испарение реагентов (ПНГ и кислородсодержащих соединений). Предварительный нагрев ПНГ и кислородсодержащих соединений может проводиться не электрическим, а пламенным нагревателем 3, когда, например, часть подаваемого ПНГ сжигают, нагревая тем самым основное количество реагентов, подаваемых в систему запуска. Разогрев конвертора 8, содержащего слои катализаторов 7, может быть произведено и при помощи электрического нагревателя 6, а также любым горячим теплоносителем.

После достижения катализатором 7 температуры, при которой возможно протекание каталитической конверсии ПНГ, например 400°С, систему запуска 5 и конвертор 8 переводят в режим конверсии ПНГ. Для этого при помощи системы подачи и дозирования 2 ПНГ и кислородсодержащие соединения (например, пары воды) 1, предварительно нагретые в теплообменнике 4, подают в конвертор 8, где при контакте с первым слоем катализатора происходит каталитическая конверсия. Если теплообменник 4 обеспечивает достаточный предварительный нагрев ПНГ и кислородсодержащих соединений, то электрический нагреватель 3 может быть не задействован. Для оптимизации условий протекания каталитической реакции (например, поддержания заданной температуры, полноты конверсии соединений, имеющих низкую детонационную стойкость) на второй слой катализатора подают дополнительное количество кислородсодержащих соединений. При этом температура слоев катализаторов регулируется таким образом, что по направлению движения реакционной смеси в конверторе осуществлялось понижение температуры, например, первый слой катализатора находится в изотермических условиях при температуре 350°С, а для второго слоя катализатора устанавливают градиент температуры с 350°С на входе до 250°С на выходе. Далее конвертированный попутный нефтяной газ КПНГ, состоящий преимущественно из метана и содержащий незначительные количества водорода (~5 об.%), пройдя через теплообменник 4, может быть подан в энергоустановку. При необходимости перед подачей в энергоустановку из КПНГ можно удалить избыток неконвертированных кислородсодержащих соединений. Для поддержания оптимального температурного профиля в конверторе определенную часть КПНГ до прохождения и определенную часть КПНГ после прохождения через теплообменник 4 при помощи системы подачи и дозирования 2 пропускают через систему запуска 5, выступающей в данном случае уже в роли теплообменника. Далее КПНГ могут быть также поданы в энергоустановку. Для регулирования температуры в конверторе может быть также задействован электрический нагреватель 6. После запуска энергоустановки на основе, например, газопоршневого двигателя внутреннего сгорания, использующей в качестве топлива КПНГ, отходящие газы энергоустановки ОГЭ могут быть также использованы для осуществления предварительного нагрева ПНГ и кислородсодержащих соединений, для регулирования температуры в конверторе 8, для чего заданное количество ОГЭ пропускают через теплообменник 4 и систему запуска 5, соответственно. Кроме этого ОГЭ через систему подачи и дозирования 2 могут непосредственно подаваться в конвертор, выступая в качестве источника кислородсодержащих соединений, например паров воды и углекислого газа, что способствует конверсии соединений, присутствующих в ПНГ, имеющих низкую детонационную стойкость.

В случае проведения процесса при давлении выше атмосферного устройство может быть выполнено в более компактном исполнении и увеличена его удельная производительность по конвертированию ПНГ.

Управление запуском и работой устройства, а также всеми сопутствующими системами производят при помощи микропроцессорной системы (системы управления) 9. Такая микропроцессорная система может работать как автономно, так и совместно с электронной системой энергоустановки.

Рассмотренный пример не показывает и не ограничивает всех возможных вариантов реализации способа работы устройства каталитической конверсии попутных нефтяных или сырых природных газов в метан.

Предложенное устройство и способ его работы позволяет эффективно проводить конвертирование попутных нефтяных или сырых природных газов в метан, удаляя имеющие низкую детонационную стойкость и повышающие вероятность смоло- и сажеобразования компоненты.

Главное достоинство устройства и способа его работы заключается в возможности без каких-либо существенных изменений в конструкции стандартных серийно выпускаемых энергоустановок и без создания дополнительной дорогостоящей инфраструктуры вовлечь в полезную переработку попутные газы, бесполезно сжигаемые до настоящего времени на большинстве нефтяных месторождений.

1. Способ работы устройства подготовки попутных нефтяных или сырых природных газов посредством каталитической конверсии для использования в энергоустановках, состоящего из системы запуска, системы подачи и дозирования реагентов, теплообменников, системы управления, конвертора, содержащего, по крайней 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, нагреваемый до температуры не выше 450°С, в который подают попутные нефтяные или сырые природные газы и осуществляют конверсию в метан соединений, присутствующих в попутных нефтяных или сырых природных газах, имеющих низкую детонационную стойкость и повышающих вероятность смоло- и сажеобразования.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что конверсию проводят в присутствии кислородсодержащих соединений, например паров воды или углекислого газа, или кислорода, или воздуха, или их любой смеси.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что кислородсодержащие соединения, например пары воды или углекислый газ, или кислород, или воздух или любую их смесь можно подавать в различном количестве на любой из слоев катализатора.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что для любого слоя катализатора в конверторе может быть установлено определенное пространственное распределение температурного профиля, например, любой слой катализатора может находиться как в изотермичных условиях, так и в условиях градиента температуры по слою.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что конверсию проводят при давлении выше атмосферного.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что кроме метана, продуктами конверсии могут являться, например, водород и/или монооксид углерода, и/или углекислый газ.

7. Способ по п.1, отличающийся тем, что количество водорода в продуктах конверсии можно регулировать, устанавливая его содержание не более 25 об.%, преимущественно не более 3 об.%.

8. Способ по п.1, отличающийся тем, что 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 подают теплоноситель.

9. Способ по п.1, отличающийся тем, что перед подачей в систему запуска и/или конвертор проводят предварительный нагрев или испарение реагентов.

10. Способ по п.1, отличающийся тем, что нагрев или испарение реагентов, а также управление температурой конвертора может быть осуществлено при помощи электрического нагревателя или пламенного нагревателя, или за счет рекуперации тепла газов, выходящих из конвертора, или за счет рекуперации тепла отходящих газов энергоустановки, или путем контакта с теплоносителем, или любой их комбинации.

11. Способ по п.1, отличающийся тем, что катализаторы, установленные в конверторе в несколько слоев, могут иметь различный или одинаковый состав.

12. Способ по п.1, отличающийся тем, что в конверторе расположен катализатор, представляющий собой армированный пористый материал, выполненный в виде плоских и гофрированных газопроницаемых армированных лент, комбинации которых образуют газопроницаемые каталитически активные каналы различной формы и геометрии.

13. Способ по п.1, отличающийся тем, что в конверторе расположен блочный катализатор на металлическом, керамическом или металлокерамическом носителе.

14. Способ по п.1, отличающийся тем, что в конверторе металлический, керамический или металлокерамический носитель для катализатора представляет собой прямоканальный блок, в том числе микроканальный, блочный материал со сложной конфигурацией каналов и пеноматериал.

15. Способ по п.1, отличающийся тем, что в конверторе расположен катализатор в виде гранул различной формы и геометрии.

16. Способ по п.11, отличающийся тем, что каталитически конвертированные попутные нефтяные или сырые природные газы используют в энергоустановках, например, на основе двигателей внешнего и внутреннего сгорания, газовых турбинах.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к концентрированию воспламеняющегося газа для генерирования газообразного продукта и касается системы концентрирования воспламеняющегося газа.

Изобретение относится к нефтяной и газовой промышленности, в частности к системам утилизации и использования попутных нефтяных и сырых природных газов в энергетике.

Изобретение относится к ингибированию образования газовых гидратов в различных углеводородсодержащих жидкостях и газах, содержащих воду, и может быть использовано в процессах добычи, переработки и транспортировки углеводородного сырья для предотвращения образования газовых гидратов.

Изобретение относится к нефтяной и газовой промышленности, а именно к технологии переработки сжиженных углеводородных газов (СУГ) в смесь ароматических углеводородов (ароматический концентрат) путем ее интеграции в объекты нефтяного или газоконденсатного месторождения.

Изобретение относится к газовой промышленности и может использоваться для извлечения тяжелых углеводородов из природного газа и для его осушки при подготовке к транспортировке.

Изобретение относится к способу удаления меркаптанов, содержащихся в углеводородах, посредством окисления. .
Изобретение относится к использованию реагента на основе сульфидированного железа для удаления кислорода из потоков газообразных и жидких текучих сред, таких как природный газ, потоки легких углеводородов, сырая нефть, смеси кислотных газов, потоки газообразного и жидкого диоксида углерода, анаэробный газ, свалочный газ, геотермальные газы и жидкости
Изобретение относится к реагентам и может быть использовано на объектах нефтегазодобычи для обезвреживания продукции за счет нейтрализации биогенных сернистых соединений

Изобретение относится к способу доставки природного газа потребителю. Способ включает получение газовых гидратов, их перемещение потребителю, разложение газогидрата с получением газа и характеризуется тем, что газогидрат получают в виде водогидратной пульпы с содержанием частиц газогидрата около 50% ее объема. При этом процесс получения газовых гидратов осуществляют при термодинамических параметрах, соответствующих образованию газогидрата, с отбором тепла от смеси природного газа и воды водоледяной пульпой, предпочтительно, с крупностью частиц не более 10 мкм, с содержанием частиц льда около 50% объема водоледяной пульпы, которые равномерно распределяют по объему реактора, перевозку газогидратной пульпы осуществляют в герметичных, теплоизолированных грузовых помещениях транспортного средства, при термодинамических параметрах, исключающих разложение газогидрата, причем разложение газогидратной пульпы с отбором газа, по завершению его перевозки, осуществляют снижением давления в грузовом помещении транспортного средства до атмосферного. При этом водоледяную пульпу, образовавшуюся в процессе разложения газогидратной пульпы, возвращают, с сохранением ее температуры, к месту получение газовых гидратов, где повторно используют при производстве водоледяной пульпы, пригодной для производства газогидрата. Использование настоящего изобретения позволяет снизить энергетические, капительные и текущие затраты на получение газового гидрата, а также снизить материалоемкость оборудования, необходимого для реализации способа. 1 з.п. ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к устройству для подготовки природного газа для транспортирования, включающему реактор, сообщенный с источником газа и воды, средство охлаждения смеси воды и газа и средство поддержания давления в реакторе не ниже равновесного, необходимого для гидратообразования. Устройство характеризуется тем, что в качестве реактора использован резервуар, рассчитанный на давление более 1 МПа, теплоизолированный с возможностью поддержания температуры на уровне 0,2°C, снабженный средством перемешивания материала. При этом в качестве средства охлаждения смеси воды и газа использована тонкодисперсная водоледяная пульпа, для чего устройство содержит вакуумный льдогенератор, выполненный в виде теплоизолированного резервуара, сообщенного с источником морской воды и вакуумным выходом турбокомпрессора, предпочтительно выполненного с возможностью создания в резервуаре разряжения, равного по величине давлению тройной точки морской воды. Причем выход льдогенератора сообщен с отделителем льда от рассола, ледовый выход которого сообщен со смесителем льда и пресной воды. В свою очередь источник природного газа сообщен с газовым входом реактора и газовой турбиной турбокомпрессора, выполненной с возможностью использования энергии газов, продуктов сжигания природного газа, а второй вход реактора посредством пульпопровода льдосодержащей пульпы, снабженного первым пульповым насосом, сообщен с накопителем льдосодержащей пульпы, выполненным в виде теплоизолированного резервуара. При этом гидратный выход реактора пульпопроводом гидратсодержащей пульпы сообщен с накопителем гидратсодержащей пульпы, выполненным в виде теплоизолированного резервуара, с возможностью поддержания давления не ниже равновесного, исключающего диссоциацию гидратсодержащего материала, с возможностью отгрузки из него гидратсодержащей пульпы, кроме того, водяной выход реактора сообщен со смесителем льда и пресной воды, при этом выход смесителя льда и пресной воды посредством пульпопровода льдосодержащей пульпы, снабженного вторым пульповым насосом, сообщен с накопителем льдосодержащей пульпы. Изобретение обеспечивает снижение энергозатрат на получения гидратов и снижение массо-габаритных характеристик комплекта оборудования, необходимого для получения гидратов. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к способу удаления кислых компонентов из газового потока. Изобретение касается способа производства очищенного углеводородного газа из газового потока, содержащего углеводороды и кислые загрязнители, включающего: (а) охлаждение газового потока до температуры, при которой образуется смесь, содержащая твердые и, возможно, жидкие кислые загрязнители и пар, содержащий газообразные углеводороды; (b) подачу образованной смеси в аппарат и отделение твердых и, возможно, жидких кислых загрязнителей от смеси в этом аппарате, в результате чего получают очищенный углеводородный газ; (с) подачу тепла к по крайней мере части твердых и, возможно, жидких кислых загрязнителей, в результате чего расплавляется по крайней мере часть твердых кислых загрязнителей и образуется нагретый обогащенный загрязнителями поток; (d) отвод нагретого обогащенного загрязнителями потока из аппарата; и при этом способ дополнительно включает: (е) повторный нагрев по крайней мере части нагретого обогащенного загрязнителями потока с образованием повторно нагретого рециркуляционного потока; и (f) рециркуляцию по крайней мере части повторно нагретого обогащенного загрязнителями рециркуляционного потока в аппарат. Изобретение также касается способа производства сжиженного природного газа. Технический результат - повышение выхода очищенного углеводородного газа. 2 н. и 9 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к способу подготовки природного газа для транспортирования, включающий получение газовых гидратов путем смешения газа с водой в реакторе непрерывного охлаждения и поддержания требуемых температур полученной смеси с одновременным поддержанием давления не ниже равновесного, необходимого для гидратообразования. Способ характеризуется тем, что процесс получения газовых гидратов осуществляют при температуре +0,2°C и давлении 1 МПа, при этом для охлаждения смеси газа с водой используют водоледяную пульпу, предпочтительно, с крупностью частиц не более 10 мкм, которые равномерно распределяют по объему реактора, при этом содержание льда составляет около 50% ее объема. Использование настоящего изобретения позволяет снизить энергетические, капительные и текущие затраты на получение газового гидрата, а также снизить материалоемкость оборудования, необходимого для реализации способа. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к технологиям малотоннажной утилизации непромышленных газов в газовой промышленности. Изобретение касается малотоннажной установки по утилизации ресурсов малых месторождений природного газа, состоящей из последовательно соединенных очистительного модуля, теплообменника предварительного нагрева, теплообменника-рекуператора для тепловой обработки сырья, реактора плазмохимического синтеза для образования водородно-сажевой смеси, теплообменника-рекуператора для закалки, теплообменника-охладителя для охлаждения смеси, циклона для выделения и подачи в рукавный фильтр для сбора с последующей подачей в гранулятор и конденсатор, гранулятора для гранулирования частиц сажи при увлажнении водой из конденсатора и последующей подачи в сушильный барабан, конденсатора для подачи воды в гранулятор и конденсации воды с подачей водородной смеси в компрессор, сушильного барабана для осушки и выделения, компрессора для сжатия водорода и подачи в мембранный блок для обогащения и последующего выделения. Технический результат - обеспечение рационального использования сжигаемого газового сырья на месторождении с получением товарной газохимической продукции: технического углерода и водорода. 2 ил.

Изобретение относится к комплексу для доставки природного газа потребителю, включающему средство его трансформирования в газогидрат. Средство содержит реактор, сообщенный с источником газа и воды, средство охлаждения смеси воды и газа и средство поддержания давления в реакторе не ниже равновесного, необходимого для гидратообразования, средство отгрузки газогидрата в транспортное средство снабженное грузовыми помещениями, выполненными с возможностью поддержания термодинамического равновесия, исключающего диссоциацию газогидрата, и средство разложения газогидрата с получением газа. Комплекс характеризуется тем, что реактор выполнен с возможностью формирования газогидратной пульпы в виде резервуара, рассчитанного на давление более 1 МПа, теплоизолированного с возможностью поддержания температуры на уровне 0,2°С. При этом реактор выполнен с возможностью отвода тепла гидратообразования тонкодисперсной водоледяной пульпой, для чего средство охлаждения смеси воды и газа содержит вакуумный льдогенератор, выполненный в виде теплоизолированного резервуара сообщенного с источником морской воды и вакуумным выходом турбокомпрессора, при этом выход льдогенератора, сообщен с отделителем льда от рассола, ледовый выход которого сообщен со смесителем льда и пресной воды, причем источник природного газа сообщен с газовым входом реактора и газовой турбиной турбокомпрессора льдогенератора, а второй вход реактора посредством пульпопровода льдосодержащей пульпы сообщен с выходом накопителя льдосодержащей пульпы, выполненного в виде теплоизолированного резервуара, при этом гидратный выход реактора первым пульпопроводом гидратсодержащей пульпы сообщен с накопителем гидратсодержащей пульпы, а водяной выход реактора сообщен со смесителем льда и пресной воды, при этом выход смесителя льда и пресной воды посредством второго пульпопровода льдосодержащей пульпы сообщен со входом накопителя льдосодержащей пульпы, кроме того, средства отгрузки газогидрата включают пульповый насос и задвижку, установленные на выпускном патрубке накопителя гидратсодержащей пульпы, выполненном с возможностью разъемного соединения с приемным патрубком грузового помещения транспортного средства, снабженным задвижкой, при этом грузовое помещение транспортного средства выполнено с возможностью разъемного соединения с приемным патрубком разгрузочного компрессора, выход которого сообщен с газгольдером. Использование настоящего изобретения позволяет снизить энергетические, капитальные и текущие затраты для получения газового гидрата. 6 з.п. ф-лы, 5 ил.
Наверх