CC BY
231
УДК 661.939.1 Золототрубова А.А.
ИЗВЛЕЧЕНИЕ ГЕЛИЯ ИЗ ПРИРОДНОГО ГАЗА: КЛАССИЧЕСКИЕ И НОВЫЕ МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ ГЕЛИЕВОГО КОНЦЕНТРАТА И ТОВАРНОГО ГЕЛИЯ
Золототрубова Анна Александровна, студент 3 курса факультета инженерной химии, e-mail: zlttrbv@gmail.com
Приведен комплексный обзор методов получения гелия из природного газа; отмечены технологии, использующиеся на данный момент в России и за рубежом, а так же новые направления, находящиеся на стадии апробации в промышленных условиях. Проведен анализ наиболее перспективных технологий и дана оценка их возможному использованию на новых месторождениях Восточной Сибири.
Ключевые слова: гелий, криогенные методы, абсорбция, мембранная технология, гелиевый концентрат, товарный гелий.
EXTRACTION OF HELIUM FROM NATURAL GAS: CLASSICAL AND NEW METHODS FOR OBTAINING HELIUM CONCENTRATE AND COMMERCIAL HELIUM
Zolototrubova A.A.
D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia
A comprehensive review of the methods for obtaining helium from natural gas is given; noted the technologies currently used in Russia and abroad, as well as new directions that are being tested at an industrial stage. The analysis of the most promising technologies is made and their possible use is estimated at new fields in Eastern Siberia. Keywords: helium, cryogenic methods, absorption, membrane technology, helium concentrate, commercial helium
Гелий - один из самых распространенных элементов во вселенной; это стратегически важный продукт для любой страны - без гелия невозможно развитие ракетно-космической отрасли, атомной
промышленности, медицины [1]; особый интерес гелий представляет для оборонной
промышленности.
Согласно экспертным прогнозам, перед современным миром стоит проблема по наращиванию мощностей производства данного продукта: первый «гелиевый кризис» может случиться уже в 2019 году [2]. Это резко замедлит развитие высокотехнологичных областей науки, что отрицательно отразится на экономике и жизни современного общества в целом.
Современное состояние гелийдобывающей промышленности в РФ
Гелий в наибольших количествах на Земле содержится в природном газе, откуда его добывают несколькими путями: сорбционные процессы, гидратообразование, мембранные технологии и криогенные методы. Согласно международным стандартам, окупаемая добыча целевого продукта возможна из газа, в котором обнаружено не менее 0,1 об. % гелия; в Российской Федерации на данный момент добыча гелия производится путем концентрирования природного газа от 0,055%: это связано с расположением Оренбургского газоперерабатывающего комплекса, базирующегося на Оренбургском нефтегазоконденсатном месторождении, где, несмотря на низкие концентрации гелия в исходном сырье, представляется возможным добывать миллионы кубометров необходимого газа [2].
Данный завод является единственным представителем данной отрасли в РФ; в связи с развитием и освоением новых месторождений в Восточной Сибири, в том числе Ковыктинского месторождения, которое значительно более богато гелием (0,25 об.%), ПАО Газпром с 2015 года ведет строительство Амурского ГПЗ, рассчитанного не только на подготовку товарного гелия, но и на добычу и хранение гелиевого концентрата ( до 80 об. % гелия), представляющим собой стратегический запас страны. Такие же криогенные хранилища уже введены в эксплуатацию на Оренбургском ГПЗ [3,4].
На оренбургском ГПЗ реализуется классическая технология получения газообразного гелия, состоящая из двух стадий: получение гелиевого концентрата, содержащего порядка 80 об. % гелия и непосредственно само получение гелия высокой чистоты ( порядка 99,99 об.%) - так называемая тонкая очистка.
Для получения гелиевого концентрата на данном предприятии реализуется технологическая схема с применением криогенной ректификации, с предварительной сепарацией исходного сырья [2].
Тонкая очистка гелия - наиболее сложный процесс: здесь используется целый комплекс методов, таких как удаление азота прямоточной конденсацией при повышенном давлении, окисление водорода на алюмоплатиновом катализаторе и т.д. Наиболее применимым в данной стадии является сорбционный процесс, позволяющий удалять сразу несколько примесей.
Однако следует отметить, что данные методы энергозатратны и на данный момент ведется активная работа по внедрению в российское производство новых, наиболее перспективных и
активно развивающихся мембранных технологий [5,6]
Основные методы получения гелия
Гидратообразование наименее популярный метод - это очень энерго- и ресурсозатратный метод, так как в зависимости от концентрации гелия в исходном сырье требует воды в соотношении до 100:1; данная технология в настоящий момент не применяется в России [1].
Абсорбция гелия на фторсодержащих соединениях применяется как одна из стадий процесса глубокой очистки гелия: обеспечить полную очистку по средствам данной технологии не представляется возможным. Альтернативой является адсорбция на активированных углях, используемая на Оренбургском ГПЗ [2]. Сорбционные процессы могут быть использованы как для очистки, так и для осушки газов. Так, авторы статьи [7] предлагают использовать короткоцикловую безнагревную адсорбционную установку (КЦА) для одностадийного удаления всех примесей; так же к преимуществам данного процесса относится то, что высокая степень очистки обеспечивается вне зависимости от концентрации загрязняющих веществ, а так же полностью автоматические установки. Согласно подсчетам, затраты на данное технологическое решение в среднем ниже на 25% по сравнению с другими технологиями очистки -данный процесс не требует большого количества жидкого азота. Тем не менее, использование адсорберов на последней стадии очистки гелиевого концентрата затруднено в связи с большими капитальными затратами на адсорберы (технологические установки этого типа достаточно громоздки, требует большого количества запорной арматуры); еще одна проблема данного цикла -выделение большого количества тепла при реакции окисления: температура газа повышается в среднем на 40° на каждый процент водорода: таким образом, требуется предварительная очистка от «излишнего» водорода, который может стать причиной неработоспособности катализатора и нарушить процесс.
Особого внимания заслуживают два конкурирующих процесса - мембранный метод и криогенный. Криогенное извлечение гелия из природного газа, как уже говорилось выше, является классическим методом, протекающем в две стадии: получение полупродукта «гелий-сырец» [1] и тонкой очистки. Именно для первой стадии наиболее востребован криогенный метод - исходный газ постепенно компримируют параллельно с понижение температуры, получая «сырой гелий» с содержанием гелия от 50 до 80 об.%. Далее, в зависимости от технологии, газ отправляется в колонну, где путем повышения температуры и расширения, получают гелиевый концентрат, отправляемый на тонкую очистку. Помимо гелия, при криогенном его извлечении получают сжиженный природный газ (СПГ), который так же является товарным продуктом (служит как топливо),
что делает данный метод экономически выгодным несмотря на свою энергозатратность [8]. Следует отметить, что данная технология применима к многотоннажным производствам; так, например, в 2017 году была произведена попытка ОАО Криогенмаш создания малотоннажной установки для сокращения потерь газа по длине магистрали, то есть очистка от гелия СПГ непосредственно перед получателем газа. Удельный расход энергии для данной установки составил 0,69 КВт *ч на 1 кг СПГ, а извлечение гелиевого концентрата - всего 11%. Отсюда следует вывод, что установки такого типа для получения малых объемов гелия нерентабельны.
Для мембранной технологии наоборот, наиболее интересные схемы представлены в среде малых объемов получаемого продукта: так, в статье [8], подробно описываются успешные примеры применения мембранных установок в США. В России это пока что опытно-промышленные установки, работающие на Ковыктинском ГКМ [9]: была подтверждена эффективность работы оборудования, определенны оптимальные рабочие давление, температура и расходы исходного газа. Аналогичную установку планируется запустить на Чаяндинском НГКМ и на других гелийсодержащих месторождения ПАО Газпром.
Мембраны, используемые для
газоразделения, обычно представляют собой либо полые волокна, либо мембранные элементы рулонного (в иностранной литературе -спирального) типа [9]. В зависимости от материала мембраны, изменяется коэффициент проницаемости того или иного газа через нее: в качестве материалов для мембраны могут служить полимеры (например, ацетатцеллюлоза), кварцевые стекла. Последние представляют особый интерес как двойная система: дело в том, что проницаемость гелия через кварцевое микропористое стекло имеет относительно высокие порядки, что позволяет говорить о возможной высокой производительности мембран из данного материала; но при этом возникают условия, ведущие к падению селективности мембраны - например, концентрационная поляризация. В таком случае говорить об эффективности мембран из микропористых стекол в отношении гелия в формате многотоннажных производств не приходится.
Если речь идет о полимерных мембранах, более хорошо изученных на данный момент, можно наблюдать широкое разнообразие предлагаемых технологических схем [7,9] с использованием мембранной технологии: доказано, что одноступенчатые схемы не представляют особого интереса в связи с малым выходом товарного продукта, а трехступенчатые схемы требуют высоких эксплуатационных затрат в связи с использованием мощных компрессоров и увеличением их общего числа. Наиболее перспективной, по мнению авторов [7,9], является двухступенчатая схема без рецикла. Так же предлагается использовать мембранные установки
как часть технологической схемы в совокупности с адсорбционными установками [7].
Выводы
Основываясь на приведенных выше данных, можно сделать вывод о целесообразности применения мембранной технологии в сфере получения гелия; тем не менее, существует еще много технологических вопросов относительно срока эксплуатации данных установок и их эффективности в различном диапазоне концентраций гелия. Криогенный метод так же требует определенной доработки.
Список литературы
1. Основы технологии переработки природного газа и конденсата: учеб. пособие / Г.В. Тараканов, А.К. Мановян; под ред. Г.В. Тараканова; Астрахан. гос. техн. ун-т. - Изд. 2-е, перераб. и доп. -Астрахань: Изд-во АГТУ, 2010. - 192 с.
2. Голубева И.А., Родина Е.В., Можейкина В.В. Оренбургский ГПК - газоперерабатывающий и гелиевый заводы (ООО Газпром добыча Оренбург) / Нефтепереработка и Нефтехимия. 2015. №2. С. 3144.
3. Режим доступа (01.05.2018) http://proektirovanie.gazprom.ru/saratovskii-йПаУгеаП^етуе-ргоекЫ
4. Режим доступа (01.05.2018)
http://www.gazprom.ru/about/production/projects/amur-gpp/
5. Патент на полезную модель №114423 МПК: B01D53/00, B01D63/02. Установка очистки природного газа высокого давления от гелия/ Афанасьев И.П., Важенин Ю.И., Минликаев В.З. Опубликовано 27.03.2012.
6. Патент на полезную модель №150520 МПК: B01D53/00. Устройство извлечения гелия из природного газа повышенного давления варианты/ Соломахин В.И., Давыдов Ю.С. Опубликовано 20.07.2015.
7. Копша Д.П., Гоголева И.В., Изюмченко В.Д. Возможные пути оптимизации процесса тонкой очистки гелиевого концентрата / Современные технологии переработки и использования газа. 2015. №1 . т.21. С. 39-44.
8. Мнушкин И.А., Ерохин Е.В., Сыркин А.М. Выбор целесообразной технологии модульных установок выделения гелия из природного газа / Нефтегазохимия. Химические технологии и продукты. 2017. т.1. С.14-18.
9. Милованов С.В., Кисленко Н.Н., Тройников А.Д. Разработка и внедрение инновационной технологии извлечения гелия из природного газа / Научный журнал Российского газового общества 2016. №2. С.10-17.
