CC BY
506Я МЕМБРАННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ
Регулирование объемов производства при освоении месторождении Восточной Сибири и Дальнего Востока с использованием мембранных технологий
Н.Н. КИСЛЕНКО, М.Ю. МАХОШВИЛИ, Т.Г. СЕМИКОЛЕНОВ, В.А. ВЕДИН
ООО «ГАЗПРОМ РАЗВИТИЕ»
Е.А. ЕРЕМИН ЗАО «ГРАСИС»
Ф.Г. ЖАГФАРОВ
РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ НЕФТИ И ГАЗА ИМ. И.М. ГУБКИНА
В Восточной Сибири и на Дальнем Востоке расположены месторождения природного газа, характеризующиеся высоким содержанием ценного продукта - гелия. К наиболее крупным объектам с промышленно значимыми запасами гелия можно отнести Ковыктинское ГКМ (Иркутская обл.),
Чаяндинское НГКМ (Республика Саха -Якутия) и Собинско-Пайгинское НГКМ (Эвенкийский АО). Запасы гелия этих месторождений суммарно составляют около 6,5 млрд м3, а концентрация гелия в пластовом газе варьируется в диапазоне 0,2-0,7 % мольн. С вводом этих месторождений в эксплуатацию
и началом промышленной добычи газа в Восточной Сибири Россия может стать крупнейшим мировым производителем гелия.
Ожидается, что к 2030 г. максимально возможные годовые объемы реализации на мировом рынке гелия, произведенного на базе сырья гелиенос-
42 ГАЗОХИМИЯ
■ НАШ САЙТ В ИНТЕРНЕТЕ: WWW.GAZOHIMIYA.RU
МЕМБРАННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ Я
ных месторождений Восточной Сибири и Дальнего Востока, будут во много раз меньше потенциальных объемов его производства. Это неминуемо приведет к невостребованности значительного объема гелия рынком, вследствие чего разработка месторождений Восточной Сибири и Дальнего Востока неизбежно будет сопровождаться избыточным уровнем его добычи.
Поскольку гелий относится к невозобновляемым сырьевым источникам и является ценным продуктом, содержащимся в коммерческих объемах только в составе природного газа, то его объемы, превышающие потенциально возможные к реализации на внутреннем и внешнем рынках, не должны быть выброшены в атмосферу при разработке месторождений гелийсодержащего газа. Поэтому целесообразно рассмотреть технологии, позволяющие обеспечивать извлечение гелия из состава гелийсодержащих газов с сохранением большей его части в составе гелиевого концентрата или обогащенного гелием газа, направляемых на длительное хранение.
Традиционным способом получения гелия из гелийсодержащего газа является технология низкотемпературной конденсации и ректификации, так называемая криогенная технология, при которой из газа последовательно удаляется основная часть углеводородных компонентов с получением гелиевого концентрата, содержащего не менее 70 % мольн. гелия и около 30 % мольн. азота. Наиболее оправдано применение данной технологии при ее совмещении с производством сжиженного природного газа (СПГ). Гелиевый концентрат, являющийся побочным продуктом, направляется на установку получения товарного гелия и далее может быть реализован морским и автомобильным транспортом.
На сегодняшний день криогенная технология имеет наибольшее распространение для целей получения как гелиевого концентрата, так и товарного гелия среди российских и зарубежных компаний. К преимуществам процесса также можно отнести возможность извлечения из перерабатываемого газа азота и углеводородов С2+ в качестве товарной про-
дукции. Однако ввиду того, что основные гелийсодержащие месторождения Восточной Сибири и Дальнего Востока находятся в значительной отдаленности от возможных морских портов сбыта, переработка гелийсодержащего газа, применение традиционной криогенной технологии для извлечения гелия из газового потока на промысле потребуют сжижения всего объема подготавливаемого газа с получением гелиевого концентрата с последующей регазификацией углеводородов, направляемых на перерабатывающие комплексы. Кроме того, в условиях промысла применение данного метода выглядит весьма проблематичным из-за сложности технологических схем и обслуживания технологических установок, сооружение которых также потребует больших объемов инвестиций. Со своей стороны, необходимость использования энергоемких холодильных циклов приведет к высоким эксплуатационным расходам.
Альтернативным способом извлечения гелия из гелийсодержащего газа является мембранная технология разделения газовых смесей, которая в настоящее время находит широкое применение с целью разделения воздуха (получение азота), подготовки попутных газов (отбензинивание и осушка), получения водорода из газов нефтепереработки, а кроме того, может применяться для извлечения гелия из гелийсодержащих газов [1,2].
Ожидается, что использование мембран с целью извлечения гелия из газов позволит значительно снизить затраты энергии на процесс подготовки газа, а также уменьшить количество технологического персонала, необходимого для обслуживания установок подготовки газа в сравнении с традиционной криогенной технологией.
Принципом работы мембранных газоразделительных систем является разница в скорости проникновения компонентов газа через вещество мембраны, а движущей силой процесса разделения газа - разница парциальных давлений на различных сторонах мембраны. На рис. 1 приведена принципиальная схема работы мембранного картриджа и линейка проницаемости различных газов через используемую в этих картриджах половолоконную мембрану (по данным компании ЗАО «Грасис»).
Как видно из представленного на рис. 1 ряда скоростей проникновения молекул различных газов через мембранное волокно, значения скоростей молекул водорода и гелия находятся
Скорость проникновения газов через мембрану
Рис. 1
ГАЗОХИМИЯ 43
Я МЕМБРАННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ
в непосредственной близости. Сущест-вующий опыт использования мембранных технологий для получения водорода является основанием для проведения расчетных и опытноэкспериментальных исследований на предмет оценки целесообразности использования мембран для повышения концентрации гелия в газовых потоках.
В настоящее время выполнены предварительные расчеты схем подготовки гелийсодержащего природного газа на примере состава газа Чаяндинского нефтегазоконденсатного месторождения с использованием мембранных методов разделения [3]. Следует отметить, что мембранные технологии могут рассматриваться к использованию не столько для целей получения гелиевого концентрата в классическом понимании, когда объемная доля гелия в целевом продукте составляет более 70 % мольн., сколько для концентрирования гелия в газовом потоке небольшого объема. Такое решение может оказаться наиболее рациональным в случае необходимости направления гелийсодержащего потока на закачку в долгосрочные хранилища.
Был проведен ряд опытов с целью проверки целесообразности применения мембранных разделительных методов концентрирования гелия в газовых потоках для закачки гелийсодержащего газа на хранение в разрабатываемую залежь. В ходе их выяснилось, что такое решение позволит снизить затраты на хранение и переработку гелийсодержащего природного газа, а также обеспечить возможность регулирования объема производства товарного гелия.
В качестве сырьевого газа мембранных установок принят газ Чаяндинского НГКМ, прошедший подготовку на установке низкотемпературной сепарации (НТС). Пластовый газ содержит (в % мольн.): метан -84,5, этан - 4, пропан - 1,5, бутаны -0,6, пентан и высшие углеводороды -0,5, азот - 8, гелий - 0,58. [4]. В связи
с повышенными энергетическими затратами при использовании многоступенчатых схем разделения и с учетом опыта зарубежных компаний на данной стадии исследований были приняты ограничения по содержанию гелия в получаемом товарном газе на уровне, не превышающем 0,1 % мольн.
Кроме того, при проведении расчетов были приняты и другие требования и ограничения:
- товарный газ по своим качествам должен соответствовать ОСТ 51.40-93;
- состав товарного газа должен обеспечивать максимальное сохранение легких углеводородов С2-С4;
- диапазон давлений газа, поступающего на мембранное разделение, должен составлять от 5,4 до 9,9 МПа.
Была сделана сравнительная оценка нескольких схем организации мембранного разделения гелийсодержащего газа - одноступенчатая и двухступенчатая (с рециклом и без рецикла) в зависимости от конкретных задач по извлечению гелия.
Полученный на НТС газ направляется на мембранную установку для производства товарного газа (непроникшего потока) и обогащенного гелием газа (проникшего потока). Товарный газ, соответствующий требованиям ОСТ 51.40-93, направляется в магистральный газопровод, а поток газа с высоким содержанием гелия (проникший поток) может подаваться на блок компримирования и далее на закачку в пласт либо на установку получения товарного гелия с использованием криогенной технологии. Следует
отметить, что поток товарного газа отбирается с минимальными потерями давления по сравнению с подаваемым на мембрану потоком, а проникший гелийсодержащий поток будет отбираться практически без давления (около 0,15 МПа (абс.)).
Принципиальная схема одноступенчатого мембранного разделения гелийсодержащего газа представлена на рис. 2.
С целью определения оптимальных условий процесса на примере одноступенчатой схемы были проведены аналитические исследования по влиянию технических параметров на процесс извлечения гелия из гелийсодержащего природного газа.
Одним из основных технологических параметров, воздействующих на эффективность мембранных газоразделительных процессов, является отношение величины давления на различных сторонах мембраны. Чем больше значение отношения давлений, тем выше эффективность процесса мембранного разделения. Так, при давлении входного потока -5,4 МПа остаточное содержание гелия в товарном газе (0,1 % мольн.) достигается при доле отбора потока с повышенным содержанием гелия (пермеата) на уровне 10-14 %. При этом потери углеводородов С2-С4
Схема промысловой подготовки газа Чаяндинского НГКМ
Гелийсодержащий (проникший) поток
Газ
после УКПГ ----------►
Газ, соответствующий требованиям ОСТ
Степени извлечения компонентов Чаяндинского НГКМ при различных давлениях
Параметры Степень извлечения компонента в непроникший поток (товарный газ), %
Давление, МПа 5,4 9,9
Состав, % мольн.
Не 16,7 16,7
n2 80,3 82,8
CH4 89,1 89,1
C2 95,4 93,5
C3+ 98,4 95,6
о О го 30,4 33,2
H2 14,7 14,7
Коэффициент отбора в непроникший поток, % 88,4 91,4
Рис. 2
44 ГАЗОХИМИЯ
■ НАШ САЙТ В ИНТЕРНЕТЕ: WWW.GAZOHIMIYA.RU
МЕМБРАННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ Я
Рис. 3
Зависимость доли непроникшего потока (с содержанием гелия 0,1 % мольн.) от входного давления при различных концентрациях гелия в сырьевом газе
Входное давление, МПа
0,2 % Не-------- 0,3 % Не ---------0,4 % Не ----------0,5 % Не --------- 0,6 % He
Рис. 4
Зависимость доли непроникшего потока от степени снижения концентрации гелия в непроникшем потоке при различных давлениях природного газа, подаваемого на мембранную установку
10,0 МПа ------- 8,5 МПа --------------- 7,0 МПа --------------- 5,5 МПа
Рис. 5
Принципиальная схема двухступенчатого мембранного разделения газа (без рецикла)
Гелийсодержащий (проникший) поток
минимальны. При давлении входного потока - 9,9 МПа остаточное содержание гелия в товарном газе, направляемом в магистральный газопровод (не более 0,1 % мольн.) достигается при доле отбора пермеата на уровне 6-10 % (в зависимости от параметров ведения процесса). Повышение давления газа, подаваемого на мембраны, практически не влияет на потери углеводородов С2-С4 с гелийсодержащим газом.
В таблице представлены степени извлечения ряда компонентов в непроникший поток (товарный газ) для принятого в работе состава газа.
В проникший через мембрану поток наиболее полно извлекаются гелий, диоксид углерода и водород, в то время как наиболее ценные компоненты сырьевого газа (фракция С2+) остаются в непроникшем потоке.
Другим важным технологическим параметром процесса мембранного разделения является состав сырьевого газа. Поскольку месторождения Восточной Сибири и Дальнего Востока отличаются друг от друга, в т. ч. и по содержанию гелия, необходимо оценить влияние состава подаваемого на мембрану сырьевого газа на параметры газоразделительного процесса.
На рис. 3 представлены расчетные зависимости доли непроникшего потока от входного давления при различных концентрациях гелия в природном газе. Расчетная зависимость выполнена для остаточного содержания гелия в непроникшем потоке -0,1 % мольн., при изменении содержания гелия в сырьевом газе в диапазоне 0,2-0,6 % мольн.
Как видно из рис. 3, с увеличением входного давления возрастает и доля непроникшего потока. Чем ниже концентрация гелия в перерабатываемом природном газе, тем выше и доля получаемого непроникшего потока (товарного газа) при фиксированном значении давления природного газа, подаваемого на мембранную установку.
Еще одним важным параметром при рассмотрении работы мембранных установок является глубина очистки непроникшего потока от гелия. На рис. 4 представлены расчетные зависимости доли непроникшего потока от степени снижения концентрации гелия в непроникшем потоке при различных давлениях природного газа. Давление под мембраной принималось постоянным (0,15 МПа (абс.)).
Согласно приведенным зависимостям, увеличение доли непроникшего потока приводит к снижению степени
ГАЗОХИМИЯ 45
Я МЕМБРАННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ
Принципиальная схема двухступенчатого мембранного разделения газа (с рециклом)
Гелийсодержащий
Сравнение вариантов извлечения гелия по основным технико-экономическим показателям
1,20
1,00
0,80
0,60
0,40
0,20
0,00
1,00
1,00
1,00
Капитальные вложения Энергетические затраты Закачка газа, обогащенного
гелием, в пласт
■ Криогенная технология
■ Мембранная технология
Рис. 6
Рис. 7
содержания в нем гелия, а с увеличением давления природного газа, подаваемого на мембранную установку, повышается доля непроникшего потока при фиксированной степени снижения в нем гелия.
Полученные аналитические зависимости для одноступенчатого мембранного газоразделительного процесса показывают, что доля непроникшего
потока растет с увеличением разницы давлений на различных сторонах мембраны или с ростом давления, подаваемого на мембрану (при фиксированном давлении под мембраной), а также при уменьшении степени содержания гелия в непроникшем потоке. Данные зависимости технологических параметров мембранного одноступенчатого процесса будут
характерны и для многоступенчатых схем разделения газа.
При использовании двухступенчатой схемы гелийсодержащий поток с первой ступени направляется на компримирование и далее на вторую мембранную ступень (рис. 5). Гелийсодержащий поток после второй ступени будет содержать более 20 % мольн. гелия, а его количество составит около 1,0-5,0 % от общего объема сырьевого газа.
Использование двухступенчатой схемы с рециклом (рис. 6) дает незначительное снижение объема гелийсодержащего потока в сравнении с двухступенчатой схемой без рецикла.
Результаты анализа рассмотренных двухступенчатых схем мембранного разделения газа для извлечения гелия из всего объема Чаяндинского НГКМ показали, что наиболее предпочтительной представляется схема без рецикла. Это связано с тем, что она существенно технологичнее и проще в эксплуатации (особенно в пусковой период и в случае значительного колебания расхода перерабатываемого газа) при практически одинаковых объемах подготавливаемого товарного газа.
Выявлено, что расход энергии при использовании двухступенчатых схем повышается по сравнению с одноступенчатым мембранным разделением гелийсодержащего газа приблизительно на 8-12 %. Однако при использовании данных схем происходит значительное снижение объема гелийсодержащего газа, направляемого на хранение, и увеличение доли товарного газа, что позволяет сделать выбор в пользу двухступенчатой схемы разделения (без рецикла). Следует отметить, что согласно оценкам специалистов ЗАО «Грасис», использование трехступенчатой схемы разделения приводит к существенному увеличению энергетических затрат (на межступенчатое компримирование) при незначительном уменьшении объема гелийсодержащего потока.
Выбранная для дальнейшего рассмотрения двухступенчатая схема разделения газа (без рецикла) сравнивалась с традиционной криогенной технологией. Сравнение вариантов извлечения гелия с использованием криогенной и мембранной технологий выполнено по основным технико-экономическим показателям (рис. 7).
Капитальные вложения, энергетические затраты и количество газа, направляемого на закачку в пласт,
46 ГАЗОХИМИЯ
■ НАШ САЙТ В ИНТЕРНЕТЕ: WWW.GAZOHIMIYA.RU
МЕМБРАННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ □
ПОСКОЛЬКУ ГЕЛИИ ОТНОСИТСЯ
К НЕВОЗОБНОВЛЯЕМЫМ СЫРЬЕВЫМ ИСТОЧНИКАМ И ЯВЛЯЕТСЯ ЦЕННЫМ ПРОДУКТОМ, СОДЕРЖАЩИМСЯ В КОММЕРЧЕСКИХ ОБЪЕМАХ ТОЛЬКО В СОСТАВЕ ПРИРОДНОГО ГАЗА, ТО ЕГО ОБЪЕМЫ, ПРЕВЫШАЮЩИЕ ПОТЕНЦИАЛЬНО ВОЗМОЖНЫЕ К РЕАЛИЗАЦИИ НА ВНУТРЕННЕМ И ВНЕШНЕМ РЫНКАХ, НЕ ДОЛЖНЫ БЫТЬ ВЫБРОШЕНЫ В АТМОСФЕРУ ПРИ РАЗРАБОТКЕ МЕСТОРОЖДЕНИИ ГЕЛИИСОДЕРЖАЩЕГО ГАЗА.
для установки криогенного выделения гелия приняты за 100 %.
Капитальные вложения учтены непосредственно для установок извлечения гелия, без включения узлов подготовки сырья и дальнейшей переработки продуктов.
Таким образом, несмотря на то, что мембранная технология является относительно новым процессом, она обладает рядом серьезных преимуществ по сравнению с традиционными криогенными установками:
- возможность получения кондиционного газа, направляемого потребителям, с сохранением гелия в пласте;
- сохранение в составе товарного газа гомологов метана - С2+;
- высокая надежность, устойчивость к неполадкам, простота эксплуатации, модульность (масштабируемость технологии);
- использование стандартных давлений при транспортировке газа и минимальная потеря давления подготовленного газа;
- отсутствие расходных материалов и химических реагентов;
- возможность поставки всех компонентов установки на удаленный объект.
К ограничивающим факторам применения мембранных методов для подготовки гелийсодержащего природного газа в настоящее время можно отнести:
- отсутствие мирового и отечественного опыта использования мембранных технологий для извлечения гелия в промышленном масштабе;
- необходимость некоторого увеличения объемов добычи газа, поставляемого в магистральный газопровод (МГ);
- ограничения по использованию мембранных технологий для извлечения гелия из газа при высоком содержании азота с условием обеспечения калорийности газа, соответствующей требованиям ОСТ.
Выводы
На основании предварительной оценки возможности использования мембранных технологий с целью регулирования объемов производства при освоении месторождений Восточной
Сибири и Дальнего Востока можно сделать следующие выводы.
1. Ввиду того что гелий является ценным сырьевым ресурсом, его значительные потенциально нереализуемые объемы, полученные при разработке месторождений гелийсодержащего газа, должны быть сохранены. При этом целесообразно организовать долгосрочное хранение при закачке обогащенного гелием потока в разрабатываемую залежь.
2. Потенциально возможной для использования с указанными целями технологией является технология мембранного разделения с получением потока газа с содержанием гелия 0,1 % мольн. и менее (в зависимости от конкретных задач).
3. Повышение давления газа, поступающего на мембранное разделение, способствует возрастанию эффективности процесса.
4. Использование второй ступени мембранного разделения обеспечивает возможность значительного снижения объема гелийсодержащего газа при сохранении требований к товарному газу по содержанию гелия. При этом энергозатраты на процесс выделения гелия увеличиваются незначительно.
5. Сравнение выбранной схемы мембранного разделения и процесса с использованием криогенной технологии выявило явные преимущества первой по основным технико-экономическим показателям.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Соловьев С.А., Поляков А.М. Перспективы применения процессов мембранного газоразделения для подготовки и переработки природного и попутного газов // Мембраны, 2006. - № 3(31). - Ч. 1. -С. 3-13.
2. S.P. Nunes, K-V Peinemann. Membrane technology: in the Chemical Industry, 2006. Р. 354.
3. Гафаров Н.А., Кисленко Н.Н., Семиколенов Т.Г. и др. Подготовка гелийсодержащих газов на промыслах, обеспечивающих снижение затрат на хранение, транспорт и переработку на примере Чаяндинского НГКМ // Наука и техника в газовой промышленности, 2011. - № 2(46). - С. 34-42.
4. Российская газовая энциклопедия / Под ред. Р.И. Вяхирева. - М.:
Большая Российская энциклопедия, 2004. - 527 с.
ГАЗОХИМИЯ 47
