Введение к работе
Актуальность проблемы. Реализация программы широкой газификации сельских населенных пунктов и малых городов России в условиях растущего спроса на природный газ, требует существенного расширения ресурсной базы получения углеводородного газового топлива. Характерной тенденцией в этой перспективе является возрастающая интенсивность эксплуатации региональных месторождений серосодержащих природных газов, а также использование малодебитпых нефтедобывающих предприятий как источников получения попутного нефтяного газа. Последнее следует рассматривать в качестве альтернативной и достаточно перспективной возможности повышения объемов производства газового топлива.
Использование региональных источников попутных нефтяных газов, несвязанных с единой системой газоснабжения, позволяет значительно снизить транспортные расходы и обеспечить большую надежность газоснабжения малых населенных пунктов. Это особенно актуально для развития производственной базы и социально-бытового сектора удаленных и труднодоступных сельскохозяйственных районов, поскольку оказывает прямое воздействие на условия и образ жизни их населения.
Определяющим условием решение названной проблемы является исключение подачи потребителю некондиционного газового топлива, для чего должна быть предусмотрена эффективная комплексная очистка попутного нефтяного газа до его поступления в газораспределительные сети сельских и малых городских комплексов. Особая значимость этого состоит в том, что коммунально-бытовые и другие потребители, использующие в качестве топлива малосернистые газы, становятся источниками поступления в воздух помещений и выбросов в атмосферу значительных количеств оксидов серы. Столь же существенно, по экологическим последствиям, и наличие в газах конденсата, проявляемое в увеличении выхода с дымовыми газами двуокиси углерода - одним из основных составляющих "парниковых газов", лимитируемых международными соглашениями
Природный газ, согласно технологическим нормам, проходит достаточно тщательную очистку от вредных газовых примесей перед его подачей в газотранспортную систему. Кроме того, в распределительных сетях он дополнительно очищается от механических примесей в циклонных и кассетных фильтрах. Что касается попутных нефтяных газов, то вопрос их очистки решается, исходя из внутренних потребностей добывающего предприятия. Наиболее эффективно его очистка ведется на перерабатывающих предприятиях в сложных по аппаратурному исполнению и дорогостоящих в эксплуатации газоочистных установках. Применение таких установок на региональных и малодебитных источниках попутных нефтяных газов будет нерентабельна.
Таким образом, вопрос стоит о разработке достаточного эффективных, простых, экономичных газоочистных установок, реализующих современные технологии извлечения вредных примесей и совместимых с условиями эксплуатации распределительных сетей населенных пунктов - высокого, среднего и низкого давления.
Из анализа функциональных возмолсностей известных методов извлечения неоднородных компонентов из углеводородных газовых сред следует, что наиболее рационально эта цель может быть реализована на основе абсорбционных процессов в интенсивных установках мокрой очистки. Поэтому, наряду с их разработкой, определяющей задачей является нахождение жидкого поглотителя, обладающего высокой поглотительной способностью к кислым газам и возможностью эффективной регенерации в широком диапазоне рабочих температур. Решение названых задач является предметом разработки настоящей диссертации.
Работа выполнялась в соответствии с тематическим планом научно-исследовательской работы в Волгоградском Государственном архитектурно-строительном университете и Программой утилизации попутных нефтяных газов организаций группы ООО «ЛУКОЙЛ-Волгограднефтегаз» на 2006-2011 год
Цель и задачи исследования: обеспечение возможности экологически безопасного использования попутного нефтяного газа региональных источников для коммунально-бытового газоснабжения малых населенных пунктов посредством его комплексной очистки в режиме пенодинамического контакта с оптимизированным жидким поглотителем.
Для достижения поставленной цели в работе решались следующие основные задачи:
- анализ и оценка характерного состава и свойств загрязняющих примесей
попутных нефтяных газов применительно к условиям использования в системах
коммунально-бытового газоснабжения;
- исследование, анализ и обобщение закономерностей абсорбционно-
разделительных процессов комплексной очистки попутных нефтяных газов от
кислых и дисперсных включений в пенодинамическом слое жидкого поглотителя,
формируемого посредством его вихревой инжекции очищаемым потоком;
- определение эффективного вида жидкого поглотителя кислых примесей по
путных нефтяных газов, оптимизированного в широком диапазоне рабочих темпе
ратур их поглощения и регенерации отработавшего поглотителя;
- обобщение результатов исследований в форме инженерных решений и ре
комендаций по очистке нефтяных газов с эффективностью, обеспечивающей эко
логическую безопасность его использования в системах коммунально-бытового га
зоснабжения малых населенных пунктов.
Основная идея работы состояла в исследовании и определении эффективных режимно-технологических условий и аппаратурного оформления установок комплексной очистки попутного нефтяного газа в пенодинамическом слое жидкого поглотителя, обеспечивающих его экологически безопасное использование в системах коммунально-бытового газоснабжения.
Методы исследования включали: аналитическое обобщение известных научных и технических результатов, исследования на лабораторных и опытно-промышленных установках, обработку экспериментальных данных методами математической статистики и корреляционного анализа.
Достоверность научных положений, выводов и результатов обоснована применением классических положений теоретического анализа, моделированием изучаемых процессов, планированием числа экспериментов и подтверждена удовлетворяющей сходимостью полученных результатов теоретических и экспериментальных исследований в лабораторных и промышленных условиях, а также результатами других авторов.
Научная новизна работы:
обоснована перспективность использования водного раствора природного бишофита в качестве эффективного поглотителя кислых примесей попутных нефтяных газов, обеспечивающего их экологически безопасное использование в системах коммунально-бытового газоснабжения;
предложена математическая модель и дано описание процесса поглощения кислых газов в пенодинамическом слое водного раствора бишофита, формируемом в режиме вихревой инжекции;
экспериментально подтверждена реализуемость предложенной математической модели процесса поглощения кислых примесей попутных нефтяных газов, в пенодинамическом слое водного раствора бишофита, формируемом в режиме вих-резой инжекции;
экспериментально исследованы и обобщены параметрические зависимости процесса поглощения кислых примесей в пенодинамическом слое, формируемом посредством вихревой инжекции водного раствора бишофита закрученным потоком очищаемого газа;
сформулированы и обобщены режимно-технологические условия модульного аппаратурного оформления процессов очистки попутных нефтяных газов в пенодинамическом слое водно-бишофитного поглотителя с эффектом обеспечения экологической безопасности использования в системах коммунально-бытового газоснабжения.
Практическая значимость работы:
разработаны технологические основы способа реализации абсорбционных и разделительных процессов комплексной очистки попутных нефтяных газов в пенодинамическом слое водно-бишофитного поглотителя, обеспечивающего их экологически безопасное использование в системах коммунально-бытового газоснабжения;
определен эффективный состав водно-бишофитного поглотительного раствора для очистки попутных нефтяных газов от кислых примесей в условиях вих-реинжекциошюго формирования динамической пены;
проведена разработка аппаратурного исполнения унифицированного модульного скруббера с вихреинжекционным режимом формирования пенодинами-ческого слоя водно-бишофитного поглотителя;
разработаны унифицированная структурно-компоновочная и технологическая схемы блочно-модульной установки вихреинжекционных пенных скрубберов (ВИПС) для комплексной очистки попутных нефтяных газов в пенодинамическом слое водно-бишофитного поглотителя;
определен принцип оптимизации управления процессом очистки попутного нефтяного газа в режиме его пенодинамического контакта с водно-бишофитным поглотителем по схеме частичного байпасирования;
определены оптимизированные условия регенерации водно-бишофитного поглотителя в зависимости от режимно-технологических параметров процесса очистки попутных нефтяных газов;
предложена методика инженерного расчета блочно-модульных установок вихреинжекционных пенных скрубберов и энергоэффективного процесса очистки попутных нефтяных газов водным раствором бишофита.
На защиту выносятся:
теоретическое обоснование перспективности использования водного раствора природного бишофита в качестве эффективного поглотителя кислых примесей попутных нефтяных газов, обеспечивающего их экологически безопасное использование в системах коммунально-бытового газоснабжения;
результаты экспериментальных исследований и обобщений параметрических зависимостей, характеризующих процесс поглощения кислых примесей и дисперсных включений в пенодинамическом слое, формируемом посредством вихревой инжекции водного раствора бишофита в режиме его непрерывной регенерации;
результаты и обобщения режимно-технологических условий модульного аппаратурного оформления процессов очистки попутных нефтяных газов в пенодинамическом слое водно-бишофитного поглотителя с эффектом обеспечения экологической безопасности использования в системах коммунально-бытового газоснабжения;
разработка аппаратурного исполнения унифицированного модульного скруббера с вихреинжекционным режимом формирования пенодинамического слоя водно-бишофитного поглотителя;
унифицированная структурно-компоновочная и технологическая схемы блочно-модульной установки вихреинжекционных пенных скрубберов (ВИПС) для комплексной очистки попутных нефтяных газов в пенодинамическом слое водно-бишофитного поглотителя;
принципы оптимизации управления процессом очистки попутного нефтяного газа в режиме его пенодинамического контакта с водно-бишофитным поглотителем по схеме частичного байпасирования;
результаты экспериментального определения оптимизированных условий регенерации водно-бишофитного поглотителя в зависимости от режимно-технологических параметров процесса очистки попутных нефтяных газов.
Реализация результатов работы:
- прошла испытания и предложена для внедрения в эксплуатационную прак
тику техмероприятий ООО "ЛУКОЙЛ-Волгограднефтегаз" по "Программе утили
зации попутных нефтяных газов" организаций группы ОАО "ЛУКОЙЛ" на 2006-
2011 г. опытно-промышленная модульная установка для очистки попутных нефтя
ных газов от серосодержащих примесей;
- ООО "ЛУКОЙЛ-Волгограднефтегаз" переданы рекомендации по применению водно-бишофитного раствора в качестве эффективного поглотителя при очистке от кислых примесей попутных нефтяных газов в скрубберах с пенодинамиче-ским режимом работы;
результаты диссертационной работы переданы ООО "ЛУКОЙЛ-Волгограднефтегаз" в качестве основы разработки целевой научно-технической программы обеспечения экологической безопасности коммунально-бытовых и промышленных потребителей газового топлива в условиях использования источников серосодержащих газов и газов нефтепереработки с нестабильным компонентным составом;
материалы диссертационной работы использованы кафедрой ОВЭиПБ ВолгГАСУ в курсах лекций, лабораторных циклах, курсовом и дипломном проектировании по дисциплинам специальностей 270109 "Теплогазоснабжение и вентиляция", 280202 "Инженерная защита окружающей среды" и 280200 "Защита окружающей среды".
Апробация работы.
Основные положения и результаты работы докладывались и получили одобрение на научно-технических конференциях: "Качество внутреннего воздуха и окружающей среды" (Волгоград, 2007-2009 г.); ежегодных научно-технических конференциях Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета (2003-2009 г.), ежегодных конференциях НТО нефтяников и газовиков им. И.М. Губкина 'Защита окружающей среды в нефтегазовом комплексе" (2002-2009 г.).
Публикации. Основные результаты исследований по теме диссертации опубликованы в 8 работах, в том числе 2 работы в изданиях, рекомендованных ВАК.
Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы, включающего 125 наименований, и приложений, общим объемом 135 страниц, содержит 30 рисунков и 13 таблиц.
