2146

Аппарат воздушного охлаждения состоит из теплообменных трубчатых секций, образующих теплообменную поверхность; вентиляторов с приводом; аэродинамических элементов; узлов регулирования.

Аппарат работает следующим образом. На опорных металлоконструкциях закреплены трубчатые теплообменные секции. Теплообменная поверхность состоит из горизонтальных оребренных со стороны охлаждающего воздуха и гладких труб со стороны газа трубок. По трубам теплообменной секции пропускают транспортируемый газ, а через межтрубное пространство теплообменной секции с помощью вентиляторов, приводимых во вращение от электромоторов, прокачивают наружный воздух.

Газ, протекающий внутри трубок, охлаждается за счет передачи своей теплоты через ребристую поверхность воздуху, омывающему трубы.

При низкой температуре наружного воздуха в зимний период аппарат может работать с отключенными вентиляторами. При этом охлаждение происходит за счет естественной конвекции.

Если закачку газа осуществляют газомоторными компрессорами, то газ после охлаждения поступает на очистку от компрессорного масла. Масло, попадая с газом в подземное хранилище, закупоривает поры пласта, обволакивает породу, прилегающую к призабойной зоне скважины, увеличивает сопротивление продвижению газа по пласту, а в некоторых случаях может привести к сокращению емкости хранилища. По данным ВНИИГАЗ, масла в газе, поступающем на закачку в пласты хранилища, содержится до 0,005 г/м3.

В случае использования центробежных компрессоров очистка газа от масла не производится.

Для предотвращения попадания масла в пласты применяют маслоочистные установки. Очистка производится в несколько ступеней. Для этой цели используют циклонные сепараторы (обычно две ступени), угольные адсорберы и керамические фильтры. В первой ступени циклонных сепараторов улавливаются сконденсированные тяжелые углеводороды и масло, во второй ступени − сконденсированные легкие углеводороды и скоагулированные частицы масла.

Угольные адсорберы предназначены для улавливания более мелких частиц масла (диаметром 20−30 мкм). В качестве сорбента используется активированный уголь в виде цилиндров диаметром 3−4 мм и длиной 8 мм. Сорбент регенерируют паром.

Керамические фильтры предназначены для тонкой очистки газа от масляной пыли. Эти фильтры состоят из специальных трубок, изготовленных из фильтрующих материалов, один конец которых закрыт.

Пройдя все стадии очистки, газ содержит не более 0,4−0,5 г компрессорного масла на 1000 м3 газа.

109

Циклонные сепараторы для удаления масла из газа работают следующим образом (рис. 4.5). Газ поступает в аппарат через входной патрубок 1, расположенный тангенциально к цилиндрической части циклона, приобретает вращательное движение и направляется в циклон 6, в котором движется по винтовой линии в сторону вершины конуса 7. Этим достигается значительная скорость движения газа.

По мере приближения к вершине конуса внутренние слои газа начинают двигаться к направляющему патрубку 5.

Частицы масла вследствие интенсивного вращательного движения газа и сосредоточения частиц в нисходящем вихре стекают через отводящий патрубок 9 в осадительную секцию 10. Газ, частично очищенный от масла, через направляющий патрубок 5 попадает в верхнюю расширительную камеру, которая отделена от циклонной камеры поперечной решеткой 3. Здесь газ резко теряет скорость, что способствует осаждению более мелких частиц масла. Осажденное масло с поперечной решетки 3 стекает по дренажной трубе 12 в нижнюю секцию 10, откуда оно по мере накопления может быть удалено через дренажную трубу 11.

Угольные адсорберы. После циклонных сепараторов для улавливания более мелких частиц масла устанавливают угольные адсорберы (рис. 4.6), загружаемые активированным углем AT-8. Угольные адсорберы по конструкции разделяют на два типа: с осевым и радиальным входами газа в патрон с адсорбентом. Адсорбер с радиальным входом газа в патрон по срав-

110

нению с имеющим осевой вход газа обладает большой емкостью патрона, меньшими скоростями и пониженными гидравлическими потерями давления газа, меньшей возможностью прохода газа через адсорбент без контакта с ним, так как под влиянием веса слоя сорбента в нем ликвидируются полости, которые может образовать газ, проходя в горизонтальном направлении. Допустимая скорость газа в адсорбере 0,15−0,5 м/с.

Керамические фильтры применяют на последнем этапе очистки газа от остатков масла (масляной пыли). Принцип действия керамического фильтра тот же самый, что и у угольного адсорбера для очистки масла с радиальным входом в патрон. Только вместо угольной насадки в патрон вставлен пучок паролитовых труб, которые служат фильтром для улавливания остатков масла из газа.

Наибольшее применение имеют паролитовые трубы диаметром 60×10 мм, длиной 2000 мм со средним диаметром пор 111−116 мкм.

Первичные сепараторы. Далее газ поступает в первичные сепараторы для окончательной очистки от паров масла. Цель очистки − предотвратить ухудшение проницаемости продуктивного пласта-коллектора ПХГ.

Пройдя все стадии, описанные выше, охлаждённый и, если требуется, очищенный от масла газ поступает по газосборному коллектору на газораспределительный пункт (см. на рис. 4.1 поз. 8), где происходит разделение его потока по скважинам и замер количества газа, закачиваемого в нагнетательно-эксплуатационные скважины.

Замер объема газа. Для замера объема газа, поступающего на закачку в ПХГ из магистрального газопровода или отбираемого из ПХГ, предусмотрены специальные узлы замера.

Расход газа определяют по разности давлений, возникающих при преодолении газом калиброванного сужения в трубопроводе. В каче-

111

стве сужающих устройств используют, как правило, кольцевые диафрагмы, устанавливаемые между фланцами трубопровода.

Газовые скважины. Оборудование газовой скважины разделяется на подземное и наземное.

Подземное оборудование состоит из оборудования забоя, через которое осуществляется сообщение пласта со скважиной, конструкции ствола скважины, состоящей из обсадных колонн и фонтанных (на- сосно-компрессорных) труб, спускаемых для подачи газа от забоя до устья.

Конструкция газовой скважины (её глубина, размеры обсадных колонн, глубина их спуска, устройство забоя и т.д.) зависит от геологических условий бурения, геолого-физических параметров пласта, технологических условий скважин, режима эксплуатации пласта, экономических показателей.

С целью изоляции проходимых при бурении водяных пластов и пропластков, а также для предотвращения стенок скважины от обвалов ствол скважины крепят стальными обсадными трубами. В зависимости от геологических условий и условий бурения скважина может иметь две, три или больше обсадных колонн.

Перфорирование является основным способом сообщения продуктивного пласта с забоем и стволом скважины. Для сообщения ствола такой скважины с продуктивным пластом в обсадной колонне и окружающем её цементном кольце пробивают (простреливают) отверстия с помощью специального аппарата, называемого перфоратором. Выстрел перфоратора инициируется электрическим током.

В большинстве случаев перфорация осуществляется в скважинах, первоначально заполненных глинистым раствором или водой. В последнее время применяют перфорацию в газовой среде под давлением. Делают это с целью предохранения призабойной зоны от засорения глинистым раствором и, следовательно, уменьшения приемистости скважины для закачиваемого в ПХГ газа.

К наземному оборудованию относится арматура, устанавливаемая на устье скважины. Соединение отдельных элементов наземного оборудования в единое целое для осуществления эксплуатации называют обвязкой газовой скважины.

Устье скважины оборудуется колонной головкой и фонтанной арматурой с необходимой аппаратурой для регулирования работы и измерения давлений.

Отбор газа из ПХГ. При отборе газ из эксплуатационных скважин по индивидуальным шлейфам опять поступает на газораспределительный пункт (см. на рис. 4.1 поз. 8). Однако сначала его нужно очистить от воды и твёрдых механических примесей, выносимых вместе с газом из пласта.

112

Очистка газа от механических примесей и капельной жидкости.

Для предварительной очистки от капельной жидкости и механических примесей и незначительного количества маслоконденсатной смеси (МКС) газ направляется на установку первичных сепараторов.

Для сепарации природного газа используются циклонные сепараторы, принцип действия которых основан на использовании центробежных сил

(рис. 4.7).

Газ

1

2

4

3

Рис. 4.7. Циклонный сепаратор Рис. 4.8. Общий вид циклонных

фильтров-сепараторов

В циклоне осаждение взвеси происходит под действием центробежной силы, возникающей при вращении газового потока. Взвешенные частицы обладают относительно большей массой и движутся в циклоне иначе, чем частицы газа.

Загрязненный газ через входной патрубок 1 поступает в верхнюю часть аппарата, а затем с очень большой скоростью проходит через трубки малого сечения. Пройдя их, газ поднимается через отбойную секцию 4 и выходит из аппарата через штуцер 2. Взвешенные частицы под действием высокой скорости отделяются от газа и удаляются через нижнее отверстие 3.

Общий вид фильтров-сепараторов показан на рис. 4.8. Эффективность циклонного сепаратора в нормальных термодинамиче-

ских условиях достигает 95 %.

113

Для очистки газа используют также жалюзийные сепараторы, эффективность которых достигает 99 % и более. Газ поступает в жалюзийный сепаратор через входной патрубок и направляется в секцию первичной сепарации, где происходит отделение основной массы жидкости.

Отделение жидкости из потока газа происходит в результате действия инерционных и центробежных сил. Далее газ с каплями жидкости поступает в осадительную секцию, в которой под действием гравитационных сил из газового потока осаждаются крупные капли жидкости. Окончательная очистка газа от мельчайших капель жидкости осуществляется в жалюзийной скрубберной насадке в результате действия инерционных сил.

Иногда у скважины устанавливают водосборники. Назначение их состоит в улавливании и удалении основной массы сконденсировавшейся влаги и других примесей. На практике широко применяют водосборники типа расширительной камеры. Степень очистки от примесей в расширительных камерах достигает 90 % .

Полученная в сепараторах жидкость (пластовая вода, МКС) поступает на установку фазных разделителей (УФР), где происходит разделение на газ, пластовую воду, МКС, механические примеси. Из УФР газ сбрасывают в систему топливного газа, МКС − на склад для жидких углеводородов. Пластовая вода после замера и очистки закачивается в поглотительные скважины при давлении нагнетателя 0,5−0,7 МПа.

Осушка газа. Поскольку в процессе подземного хранения газ обогащается парами воды, необходимо производить его осушку. Поглощение влаги из газа осуществляется жидкими и твердыми сорбентами. В результате осушки газа точка росы паров воды должна быть снижена ниже минимальной температуры при транспортировании газа (влагосодержание должно составлять не более 0,05−0,1 г/м3).

В качестве абсорбента для осушки природного газа широко применяют гликоли, причем преимущественно триэтиленгликоль или диэтиленгликоль. Широкое применение гликолей для осушки природного газа обусловлено их высокой гигроскопичностью, стойкостью к нагреву и химическому разложению, низким давлением пара и доступностью при сравнительно невысокой стоимости.

114

5. ГАЗИФИКАЦИЯ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА

Процесс газификации представляет собой совокупность гетерогенных и гомогенных реакций, обеспечивающих превращение твердого или жидкого органического сырья в горючие газы, преимущественно водород, окись углерода и метан. Газообразные смеси СО + Н2 с разным соотношением компонентов используются в промышленном органическом синтезе. Метан и газовые смеси с его высоким содержанием обычно применяются в качестве топлива.

В принципе можно газифицировать любое углеродосодержащее сырье, однако по экономическим соображениям в этих процессах используют молодые угли или доступные виды биомассы (рис. 5.1).

Рис. 5.1. Сырье и продукты газификации

Твердое топливо

Рис. 5.2. Процессы газификации твердого топлива

В качестве газифицирующих агентов наиболее часто применяют воздух, кислород, водяной пар, двуокись углерода и их смеси в разных соот-

115

ношениях. Производимый газ содержит Н2 , СО, иногда метан, а также ряд инертных или вредных примесей, таких как N2 , СО2 , пары воды, смолы, мелкие углеводородные и минеральные частицы, соединения серы и азота.

Следует сказать, что синтез-газ − это смесь СО и Н2 , являющаяся сырьем для получения разнообразных химических продуктов.

Основные процессы газификации твердого топлива и состав продуктов приведены на рис. 5.2. Они подразделяются на автотермические (необходимая для поддержания процесса теплота получается непосредственно в газификаторе) и аллотермические (теплота подводится в газификатор с помощью теплоносителя или через стенки реактора).

5.1.Физико-химические основы газификации твердого топлива

Впроцессе парокислородной газификации углерода протекает большое количество химических реакций, основные из которых приведены ниже.

Газификация кислородом (неполное горение):

2 С + О2 = 2 СО; ∆Н = − 123,1 кДж/моль.

Горение в кислороде:

С + О2 = СО2 ; ∆Н = − 404,7 кДж/моль. Газификация углекислым газом:

2 С + СО2 = 2 СО; ∆Н = 159,9 кДж/моль.

Газификация водяным паром:

С + Н2О = СО + Н2 ; ∆Н = 118,5 кДж/моль. Газификация водородом:

С + 2 Н2 = СН4 ; ∆Н = − 87,5 кДж/моль.

Реакции взаимодействия первоначально образовавшихся газов между

5.2. Современное состояние дел в области получения синтез-газа из твердого топлива

Основной причиной, сдерживающей увеличение потребления твердого органического сырья при росте цен на нефть и природный газ, является наличие ряда технологических, экономических и экологических проблем его переработки.

Большинство разработанных технологий газификации твердого топлива имеет недостаточно высокую производительность, требует больших по сравнению с технологиями нефтепереработки и нефтехимии капитальных

116

затрат и эксплуатационных издержек. Тем не менее сохраняется тенденция к расширению промышленных мощностей по производству синтез-газа газификацией твердого органического сырья.

Одним из наиболее существенных с коммерческой точки зрения преимуществ процесса газификации твердого топлива является возможность получения нескольких видов продукции. В сегодняшнем быстро меняющемся мире крупному предприятию, ориентированному на выпуск одного вида продукции, трудно удержаться на рынке.

Промышленные технологии, использующие стадию газификации, как правило, включают три основных блока:

−газификацию угля или другого углеводородного топлива с целью получения синтез-газа;

−конверсию части синтез-газа в имеющие высокую рыночную стоимость химические продукты и моторные топлива;

−сжигание части синтез-газа для получения электрической энергии. Соотношение между долями синтез-газа, конвертируемого в химиче-

ские продукты и электроэнергию, определяется запросами рынка. При необходимости можно выпускать только химические продукты, а энергетическую часть технологического цикла использовать для собственных нужд предприятия. В другом варианте предприятие работает преимущественно как электростанция и только при падении потребления электричества (например, летом в северных районах) расширяется производство химических продуктов.

Лидером коммерческого использования процесса газификации угля является южно-африканская компания «Сасол», ежегодно перерабатывающая по технологии Лурги в синтез-газы различного назначения около 50 млн т угля [29]. В настоящее время эта технология уже не является основной, разработано множество новых вариантов. Причем многие из них уже давно апробированы в промышленном масштабе. Суммарная мощность работающих в промышленности крупных газогенераторов составляет более 350 000 тыс. нм3/день, в том числе в наиболее «газифицированных» странах: ЮАР – 75 250, США – 50 847, Германия – 42 351, Китай –

34 755 тыс. нм3/день [29].

Можно выделить три основных направления использования продуктов газификации твердого сырья:

−получение синтетического аналога природного газа, состоящего преимущественно из метана;

−получение топливного газа промышленного назначения, содержащего Н2 , СО, СН4 , СО2 и значительное количество азота;

−получение синтез-газа, состоящего из свободного водорода и окиси углерода в различных пропорциях.

117

По первому направлению работы выполняются преимущественно в США, Японии и ряде развивающихся стран. Особенностью получаемого газа является малое содержание СО и, следовательно, относительно низкая токсичность, что позволяет использовать его в быту. Поскольку Российская Федерация обладает значительными запасами природного газа, это направление исследований у нас в стране практически не развивалось.

Получение топливного газа промышленного назначения из твердого сырья является перспективным решением экологических и технологических проблем в энергетике, металлургии и ряде других отраслей хозяйства России. Тепловые электростанции составляют основу электроэнергетики РФ и дают 68 % производимой в стране электроэнергии. В 2000 г. электростанции РАО «ЕЭС России» израсходовали 136 млрд м3 природного газа, 132,1 млн т угля и 9,3 млн т мазута, что в процентном соотношении составляет соответственно 64; 30,8 и 5,2 %.

Впоследнее время из-за исчерпания ряда крупных месторождений газа

вРоссии и неподготовленности к разработке новых, а также вследствие весьма значительной разницы цен на газ на внутреннем и внешнем рынках появились существенные трудности в обеспечении электроэнергетики газовым топливом. В связи с этим ОАО «Газпром» выступило с предложением сократить использование природного газа. В частности, уменьшение

его поставок на тепловые электростанции должно быть эквивалентно 100 млрд кВт ч, что составляет почти 20 % от сегодняшнего электропотребления в европейской части страны.

Очевидной альтернативой газовому топливу является уголь, однако расширение его использования приведет к ухудшению экологической ситуации. Особенно это отразится на больших городах с интенсивным загрязнением атмосферы. Это связано с тем, что при традиционных для России технологиях сжигания угля в атмосферу выбрасывается в 10−50 раз больше вредных веществ, чем при сжигании природного газа.

В США, Германии и Китае, о которых уже упоминалось выше как о самых «газифицированных» странах, одним из наиболее перспективных и широко используемых путей решения этой проблемы является предварительная газификация угля.

5.3. Автотермические технологии газификации

Автотермические технологии газификации предусматривают сжигание в газификаторе определенной части твердого сырья с целью компенсации энергетических затрат эндотермических реакций газификации. Это позволяет осуществлять процесс в автотермическом режиме, т.е. без подвода теплоты к генератору.

118