Введение к работе
Актуальность проблемы. Непрерывно растущий спрос на природный газ как эффективный и экологически более безопасный вид котельно-энергетического топлива и сырья для газохимической и нефтехимической промышленности делает необходимым интенсивное развитие объемов его товарного производства. По последним оценкам начальные потенциальные ресурсы природного газа составляют 250 трлн. м3. Анализ структуры разведанных запасов газов по компонентному составу показывает, что из общего объема на начало добычи метановыми (сухими газами) являются 55,3%, этаносодержащнми (этана 3% и более) - 44,7%. При этом в разведанных запасах газа 15,8% явля-~ ются сероводородсодержащими, а 50% запасов газа следует отнести к конден-сатсодержащим.
Прогнозы показывают, что на перспективу до 20] 1 года структура запасов газа по компонентному составу будет существенно изменяться в сторону уменьшения доли метановых газов и роста доли этансодержащих газов вследствие интенсивной добычи газа севера Западной Сибири и возрастающей доли таких газов в Прикаспийской впадине и в юрском комплексе Среднеазиатского региона.
Характерной тенденцией повышения объемов производства углеводородного газового топлива является возрастающая интенсивность эксплуатации месторождений сернистых газов - Астраханского, Тенгизского, Карачанганского. Все более широкое применение в газовых хозяйствах находит добавление к природному газу попутных нефтяных газов и газов нефтепереработки, качественный состав которых может меняться в значительной степени. В этой же перспективе следует рассматривать возможность использования малодебитных и расконсервированных региональных источников, в большей степени содержащих сернистые примеси и конденсат.
Таким образом, учитывая что доля конденсатных, а также сероводороде— и этаносодержащих газов в общем объеме углеводородного газового топлива в перспективе увеличивается, одной их актуальных проблем развития газовой отрасли и, в частности, строительства систем газоснабжения, становится разработка новых технологий очистки газа уже на стадии его распределения и пода-га коммунально-бытовым и промышленным потребителям.
Особая значимость названной проблемы состоит в том, что тешюзнергеті ческие, жилищно-коммунальные и крупные промышленные потребители предприятия стройиндустрии и т.д., использующие малосернисгые углеводе родные газы в качестве топлива, являются источниками выброса в атмосфер значительных количеств оксидов серы. В целом их суммарный мировой выбрс к концу 2000 года по данным ВОЗ составит 700 млн. тонн в год.
Столь же существенным по экологическим последствиям является и налг чиє конденсата, проявляемое как в увеличении выхода двуокиси углерода дымовыми газами, так и в интенсификации коррозионных процессов, следствг ем которых является нарушение герметичности газопроводов. В результате ел щественно возрастают утечки газа, метановая составляющая которых, наряду двуокисью углерода выбросов отходящих дымовых газов, способствует пост) гогению в атмосферу значительных количеств "парниковых газов", лимитируЕ мых международными соглашениями.
Таким образом, решение названной проблемы имеет важное экологическо и одновременно экономическое народнохозяйственное значение, так как позве ляет сократить выбросы в атмосферу сернистых и "парниковых" газов, а такж расконсервировать и вовлечь в разработку региональные серосодержащие тг зовые и газоконденсатные месторождения с малыми запасами угаеводородно продукции, что существенно увеличит суммарные объемы добычи газа.
Вполне очевидно, что решение названной проблемы может быть успешн реализовано лишь с учетом двух определяющих факторов. Первый состоит том, что для повышения уровня экологической безопасности извлечению пор лежат H^S, пары НіО (конденсата), гидраты и, возможно, смолистые вещества т.е. в процессе очистки необходимо извлечение нескольких неоднородных ком понентов. Второй фактор заключается в том, что формирование потока пода ваемого (распределяемого) потребителю газа осуществляется посредство; смешивания потока, транспортируемого от основного источника (месторожде ния) с потоками от региональных источников - месторождений сернистых га зов, газокоцденсатных и нефтеперерабатывающих заводов, состав газов коте рых может существенно варьировать. Поэтому, для исключения поступлени потребителю некондиционного газового топлива, наряду с системами лромы еловой очистки должна быть предусмотрена его эффективная комплексная очи
стка и при подаче в газораспределительные сети промышленно-городских комплексов.
При этом, реализуемая в газораспределительных сетях технология газоочистки должна отличаться от известных устойчивой эффективностью работы при очистке газа с любым содержанием сероводорода и других извлекаемых компонентов в широком диапазоне температурного режима, высокой экологич-ностью, простотой аппаратурного оформления и надежностью эксплуатации.
Из анализа функциональных возможностей основных методов извлечения неоднородных компонентов из углеводородных газовых сред и сложившейся практики следует, что наиболее оптимально эта цель может быть достигнута в аппаратах мокрой очистки на основе реализации абсорбционных процессов. Поэтому определяющей задачей одновременно является и нахождение типа окислительной жидкой технологической среды, обладающей высокой поглотительной способностью к сероводороду и возможностью регенерироваться до уровня первоначального состава. Решение названных выше задач является предметом разработки настоящей диссертации.
Работа выполнялась в соответствии с планом программы "Экологические проблемы Нижней Волги" - ЕЛ 1.01.96, а также тематическим планом научно-исследовательской работы Волгоградской Государственной архитектурно-строительной академии.
Цель и задачи исследования. Целью диссертационной работы является защита атмосферы от загрязнения выбросами теплоэнергетических и коммунально-бытовых источников посредством разработки технологии комплексной очистки природного газа от серосодержащих, кислых и балластных примесей в пенодинамическом слое жидким поглотителем на основе бишофита.
Для достижения указанной цели решалась следующие основные задачи*.
обоснование физико-математических моделей гидродинамики, теплообмена и массопереноса неоднородных загрязняющих веществ в активном объеме пенодинамического слоя с вихреинжекционным механизмом формирования контактной поверхности;
исследование, анализ и обобщение закономерностей процессов очистки от сероводорода и кислых примесей углеводородных газов абсорбционно-окислительным методом в комплексе с извлечением твердо-и жидкофазных компонентов;
разработка состава поглотительного раствора для извлечения сероводорода и кислых газов в широком температурном диапазоне, обладающего свойством эффективной регенерации;
разработка технологических основ реализации и аппаратурного оформления комплексных процессов очистки углеводородных газов.
Научная новизна работы:
теоретически обоснованы и экспериментально подтверждены зависимости физико-химических свойств поглотительных растворов на основе природного бишофита от составляющих композиционных ингредиентов;
получены кинетические характеристики окислительных процессов абсорбции сероводорода из углеводородных газов в пенодинамических реакторах, определяющие зависимость регулируемых технологических факторов от состава-поглотительного раствора жидкой технологической среды на основе бишофита;
составлены математические модели, обобщающие режимно-технологические условия реализации абсорбционно-разделительных процессов комплексной очистки углеводородных газов от сероводорода и жидко-и твердофазных компонентов;
впервые обоснован и экспериментально подтвержден принцип подбора состава окислительного раствора жидкой технологической среды на основе бишофита, эффективно реализующего процесс очистки углеводородных газов от сероводорода в пенодинамическом слое.
Практическое значение:
разработаны технологические основы способа реализации абсорбционных и разделительных процессов комплексной очистки углеводородных газов от сероводорода и твердо-и жидкофазных включений в пенодинамическом слое;
предложена принципиальная и технологическая схема системы реализации способа комплексной очистки от сероводорода и твердо-и жидкофазных включений углеводородных газов;
экспериментально установлен эффективный состав поглотительного раствора жидкой технологической среды на основе бишофита для очистки углеводородных газов от сероводорода в условиях комплексного извлечения твердо-и жидкофазных компонентов (получено положительное решение по за-
явке № 99032148, приоритет от 24.08.99);
разработана методика подбора состава поглотительного (окислительного) раствора жидкой технологической среды на основе бишофита для очистки углеводородных газов в зависимости от термодинамических параметров и состава очищаемого потока;
определены оптимальные условия регенерации окислительного раствора жидкой технологической среды на основе бишофита в зависимости от ре-жимно-технологических параметров процесса очистки углеводородных газов в пенодинамическом слое.
Реализация результатов работы:
-НПО "ВолгоградЭкохимпроект" на основе научных результатов работы вставлены рекомендации по технико-экономическому обоснованию выбора методов очистки углеводородных газов для использования при разработке мероприятий ООС на предприятиях нефтегазового комплекса;
-разработаны рекомендации для ПСО "Волгоградгражданстрой" по солеву технико-эксплуатационных мероприятий по обеспечению экологической Зезопасности эксплуатации газораспределительных сетей и установок при использовании малосернистых газов региональных промыслов;
результаты диссертационной работы переданы ОАО "Волгоградгоргаз" з качестве основы разработки целевой научно-технической программы обеспе-гения экологической безопасности коммунально-бытовых и промышленных "ютребителей газового топлива в условиях использования источников серосодержащих газов и газов нефтепереработки с нестабильным компонентным со-:тавом;
разработка ЖТС прошла испытания и внедряется: в эксплуатационную ірактику ОАО "Волгоградгоргаза" по программе гехмероприятий обеспечения жологической безопасности газораспределительных систем и установок;
материалы диссертационной работы использованы кафедрами ТГС и ЭВиОВС ВолгГАСА в курсах лекций, лабораторных циклах, курсовом и ди-тломном проектировании по дисциплинам специальностей 2907 Теплогазоснабжение и вентиляция" и 3320 "Инженерная защита окружающей ;реды (в строительной индустрии и ЖКХ)".
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы до-гожены и обсуждены на: научно-технической конференции "Достижения в тео-
рип и практике теплогазоснабжения, вентиляции и кондиционирования воздуха" (г. С-Петербург, 1997 г.); Международной научно-практической конференции "Экологическая безопасность и экономика городских и теплоэнергетических комплексов" -(г. Волгоград, 1999 г.); Межрегиональном научно-техническом семинаре "Экологическая безопасность регионов России" (г. Пенза, 2000); Международной научно-практической конференции "Строительство-2000" (г. Р/на-Дону); Научно-технической конференции "Проблемы охраны производственной и окружающей среды" (г. Волгоград, 2000 г.); ежегодных научно-технических конференциях ВолгГАСА (г. Волгоград, 1997-2000 г.).
Публикации. Основные результаты работы изложены в 10 печатных статьях и 3-х научно-технических отчетах. На защиту выносятся:
теоретическое обоснование возможности реализации, кинетические и основные технологические параметры окислительных процессов абсорбции сероводорода из углеводородных газов в пенодинамических реакторах растворами на основе бишофита;
результаты эксперимешальных исследований, определяющих зависимость регулируемых технологических факторов управления абсорбционно-разделительными процессами комплексной очистки углеводородных газов от сероводорода и жидко-и твердофазных компонентов;
принципиальная схема аппаратурного оформления ресурсосберегающей технологии абсорбционной и разделительной комплексной очистки от сероводорода и жидко-и твердофазных включений в пенодинамических реакторах;
результаты экспериментального определения оптимального режима регенерации окислительного раствора на основе бишофита для процессов комплексной очистки углеводородных газов в пенодинамических реакторах;
результаты кинетических исследований и методика подбора состава окислительного раствора жидкой технологической среды на основе бишофита для эффективной комплексной очистки углеводородных газов в пенодинамических реакторах.
Объём и структура работы. Диссертация состоит из введения, 5 разделов, заключения, списка использованной литературы и приложений. Общий объём
работы 167 страницы, в том числе 153 основного текста, включающего 53 рис., список литературы из 119 наименований, 5 приложений.
