» ГЛАВНАЯ > К содержанию номера
» Все публикации автора
Журнал научных публикаций
«Наука через призму времени»
Ноябрь, 2017 / Международный научный журнал
«Наука через призму времени» №8 2017
Автор: Шестерикова Анастасия Андреевна, студент
Рубрика: Науки о земле
Название статьи: Особенности сероочистки малосернистых газов с высоким содержанием диоксида углерода
УДК 622.279.23
Особенности
сероочистки малосернистых газов с высоким содержанием диоксида углерода
Шестерикова Р.Е.,
Доктор технических наук, доцент
Северо-Кавказский
федеральный университет, институт нефти и
газа, г.Ставрополь
Шестерикова А.А.
Студентка института нефти
и газа,
Северо-Кавказский федеральный университет, институт нефти и газа, г.Ставрополь
Аннотация. Статья направлена на проблему очистки малосернистых
углеводородных газов в присутствии высоких концентраций диоксида углерода. В
статье представлен энергетический анализ
технологии с использованием в качестве абсорбента водных растворов аминов. Показано,
что для очистки малосернистого газа от сероводорода технология с использованием
растворов амина энергетически, экономически и экологически не эффективна.
Перерасход энергии на проведение процесса достигает сотни раз, газ регенерации
абсорбента сжигается на факелах, загрязняя атмосферу токсичными продуктами
горения сероводорода.
Ключевые слова: сероводород, малосернистый газ, энергия, аминовая
технология.
Технологические
схемы очистки малосернистых газов с высоким содержанием диоксида углерода щелочной абсорбцией (растворами
аминов) имеют ряд существенных недостатков, которые ухудшают энергетические и
экономические показатели процесса. Для очистки газа от сероводорода, в котором
отношение концентрации диоксида углерода к сероводороду достигает нескольких
сотен необходимо учитывать химический состав поглотителя, селективное
извлечение сероводорода, возможность получения товарной продукции из сероводорода,
защиту окружающей среды от токсичных сернистых соединений.
Одним из обязательных и важных условий
переработки малосернистых газов является селективное извлечение сероводорода из
газа в присутствии любых количеств диоксида углерода. В таблице 1 приводятся
результаты анализа процессов очистки малосернистого газа растворами диэтаноламина (ДЭА) и
метилдиэтаноламина (МДЭА).
Таблица 1. Эффективность использования
МДЭА и ДЭА для очистки
малосернистого газа с высоким содержанием диоксида углерода
Показатель |
Используемый абсорбент: водный
раствор |
|
ДЭА |
МДЭА |
|
Расход газа, тыс.м3/ч |
100 |
100 |
Концентрация кислых в газе, г/м3: |
|
|
- сероводорода СH2S |
1 |
1 |
- диоксида углерода ССО2 |
120 |
120 |
Количество поглощенного H2S,
кг/ч |
100 |
100 |
Количество поглощенного СО2, кг/ч |
11880 |
4800 |
Количество тепла на десорбцию, кДж/ч: |
|
|
- сероводорода H2S |
117300 |
104700 |
- диоксида углерода СО2 |
17950680 |
6432000 |
Доля тепла на десорбцию, %: |
|
|
- сероводорода H2S |
0,65 |
1,60 |
- диоксида углерода СО2 |
99,35 |
98,40 |
Состав газа регенерации абсорбента, %: |
|
|
- сероводород СH2S |
0,83 |
2,04 |
- диоксид углерода СCO2 |
99,17 |
97,96 |
Из данных
таблицы 1 следует, что затраты энергии в технологическом цикле неоправданно
расходуются не на извлечение сероводорода, а на диоксид углерода: от 98,4
до 99,35 % затрат тепловой энергии расходуется на извлечение из газа
диоксида углерода. Извлеченный сероводород утилизируется путем сжигания на
факелах, т.к. выделяется в виде разбавленного потока, в котором содержание диоксида углерода достигает 98 –
99,17 % и только 0,83 – 2,04 % сероводорода. Токсичные продукты горения
сероводорода выбрасываются в атмосферу, нанося ущерб окружающей среде.
Результаты энергетического
анализа, приведенные в таблице 1, позволяют заключить, что при выборе
технологии сероочистки для малосернистого газа с высоким содержанием диоксида
углерода следует руководствоваться энергозатратами процесса - объективным
показателем, не зависящем от субъективных экономических величин, таких как
себестоимость.
Энергетическую оценку
выполним для установки сероочистки газа месторождения Учкыр 25%-ным водным
раствором ДЭА производительностью 125 тыс.м3/ч, при содержании
сероводорода 1,4 % об. и диоксида углерода 2,25 % об. .
Энергетические затраты на
извлечение из газа сероводорода и диоксида углерода определяются тепловыми
эффектами процессов абсорбции и регенерации абсорбента. Для раствора ДЭА
тепловые эффекты составляют:
- для сероводорода ∆Н
= 1905 кдж/кг;
- для диоксида углерода
∆Н = 1918 кдж/кг.
Количество тепла, выделяющееся
при абсорбции, определяется по уравнению (1).
Qi = ∆Н*Gi
(1)
где Qi – количество теплоты, кДж/ч;
Gi – количество извлекаемого
компонента, кг/ч.
Количества извлекаемых
компонентов на установке составляет:
GСО2 = 5402 кг/ч; GH2S = 2656 кг/ч.
В процессе абсорбции
выделяется теплота в количестве:
QH2S = 1905*2656 = 5060156 кдж/ч
QСО2 = 1918*5402 = 10361036 кдж/ч
Qабс. = 5060156 + 10361036 =15421192 кдж/ч.
На стадии регенерации
абсорбента следует подвести такое же количество тепла. Следовательно, количество
теплоты, затрачиваемой на установке, составляет:
Qизвл. = 2* Qабс
=
30842384 кдж/ч.
В таблице 2 приводятся
фактические расходы различных видов энергии.
Таблица 2. Расходы энергии на
проведение очистки газа от сероводорода на месторождении Учкыр раствором ДЭА
Вид энергии |
Обозначение |
Величина, млн. кДж/ч |
Доля от общего расхода,% |
Электроэнергия |
Еэ |
13,02 |
11,12 |
Водяной пар |
Еп |
83,66 |
71,49 |
Вода |
Ев |
20,35 |
17,39 |
Итого |
Еобщ. |
117,03 |
100,00 |
Из данных
таблицы 2 следует, что фактические энергозатраты на установке высокие и
достигают 117,03 млн. кДж/ч. Энергетический КПД процесса можно определить
отношением ( 2).
Энергетический
КПД процесса :
ή = Q/Е (2)
ή =
30842384*100/117030000 = 26,3 %.
Анализ данных
таблицы 2 свидетельствует, что в структуре энергозатрат значительная часть до
71,49% приходится на тепловую энергию, которая расходуется в виде водяного
пара, 17,39% затрат энергии приходится на оборотную воду, которую используют в
технологии для отвода тепла из технологического цикла. Затраты электроэнергии
относительно невелики и составляют 11,12% от общих затрат энергии. Результаты
энергетического анализа таблиц 1 и 2 позволяют заключить, что резкого
уменьшения расхода энергии в технологическом цикле можно ожидать только от сокращения
расхода водяного пара путем селективного извлечения сероводорода. Таким
образом, выполненный энергетический анализ работы установки сероочистки малосернистого
газа при отношении концентраций СО2/Н2S=2,25/1,4=1,98
свидетельствует о низком инженерном
совершенстве процесса с использованием в
качестве абсорбента растворов аминов.
Объективную
оценку совершенства технологии дает коэффициент энергоемкости процесса (КЭП),
который показывает превышение фактических затрат энергии по отношению к
теоретическим (минимальным) энергозатратам [1].
КЭП = Еф /
Ет (3)
Величина
теоретических затрат энергии не зависит от стадий конкретного технологического
процесса, а определяется разностью термодинамических состояний системы в конце
и начале технологического цикла. Применительно
к процессам очистки газа от сероводорода щелочными растворами теоретические
затраты представляют собой затраты на концентрирование углеводородной части
газа и определяются по формуле
Ет = R × T × Cугл
× ln(1 / Cугл) (4)
Для процессов
селективной очистки газа от сероводорода в присутствии диоксида углерода СО2
теоретические затраты энергии определяются по формуле
Ет = R × T × n× (1-CH2S) × ln(1 / (1 - CH2S)) (5)
Теоретические
затраты энергии на селективное извлечение сероводорода из газа в присутствии
диоксида углерода составят:
Ет =8,315× 308× (2656/34) × (1-0,014) ×
ln(1 / (1 – 0,014) =
200060,85 кдж/ч
Поскольку в
основу определения теоретических затрат энергии положен процесс изотермического
сжатия, то полученную величину следует удвоить, т.к. в процессе сжатия газ
разогревается и для его охлаждения потребуется
такое же количество энергии.
Етсж = 400121,7 кдж/ч
Коэффициент
энергоемкости процесса составит:
КЭП = 117030000 /400121,7 = 292
Таким образом,
расход энергии на извлечение сероводорода из газа на аминовой установке на
месторождении Учкыр превышает теоретический расход в 292 раза. Такой перерасход
энергии нельзя считать нормальным. Это указывает только на то, что технология
сероочистки водными растворами аминов для малосернистых газов с высоким
содержанием диоксида углерода энергетически и экономически не эффективна и химические
свойства аминов не позволяют проводить селективное извлечение сероводорода в
присутствии диоксида углерода.
Список литературы:
1. Sawyer James W. Загрязнение окружающей среды
серусодержащими соединениями / / J. Metals. – 1977. - № 5. – С. 11-17.
2. Галанин И.А., Шестерикова Р.Е., Басарыгин
Ю.М. Оценка эффективности технологии получения абсорбента для очистки газа от
сероводорода / / Строительство газовых и газоконденсатных скважин: Сб. науч.
статей ВНИИгаза и СевКавНИПИгаза. – 1997. – С. 26 – 27.
3. Афанасьев А.И., Стрючков В.М., Мурин В.И.
и др. Энергосберегающая технология очистки газа / / Повышение эффективности
процессов переработки газа и газового конденсата: Сборник научных трудов. – М.:
ВНИИГАЗ, 1995. – Ч. 1. – С. 19-26.
4. Степанова Г.С., Зайцев И.Ю., Бурмистров
А.Г. Разработка сероводородсодержащих месторождений углеводородов. – М.: Недра,
1986. – 163 с.
5. Коуль А.Л., Ризенфельд Ф.С. Очистка газа.
– М.: Гостоптехиздат, 1962. – 396 с.
Комментарии: