способ подготовки попутных и природных газов для использования в поршневых двигателях внутреннего сгорания

Формула изобретения

1. Способ подготовки попутных и природных газов для использования в поршневых двигателях внутреннего сгорания, состоящий в снижении концентрации соединений, имеющих низкую детонационную стойкость и повышающих вероятность смоло- и сажеобразования, отличающийся тем, что подготавливаемый газ в смеси с кислородсодержащим газом, например с воздухом, подвергают термообработке при температуре от более 450 до 1100°С в течение 0,01-50 с при содержании свободного кислорода в смеси 0,5÷5%.

2. Способ подготовки попутных и природных газов по п.1, отличающийся тем, что термообработку проводят в несколько последовательных стадий при различной температуре и концентрации кислорода на каждой стадии.

3. Способ подготовки попутных и природных газов по п.1, отличающийся тем, что термообработку проводят при давлении выше атмосферного.

4. Способ подготовки попутных и природных газов по п.1, отличающийся тем, что нагрев подготавливаемого газа или его смеси с кислородсодержащим газом проводят частично или полностью за счет рекуперации тепла обработанного газа.

5. Способ подготовки попутных и природных газов по п.1, отличающийся тем, что нагрев подготавливаемого газа или его смеси с кислородсодержащим газом проводят частично или полностью за счет тепла отходящих газов двигателя внутреннего сгорания.

6. Способ подготовки попутных и природных газов по п.1, отличающийся тем, что температуру термообработки регулируют путем изменения объема подаваемого кислородсодержащего газа.

7. Способ подготовки попутных и природных газов по п.1, отличающийся тем, что приготовление смеси осуществляют путем инжектирования кислородсодержащего газа в поток подготавливаемого газа.

8. Способ подготовки попутных и природных газов по п.1, отличающийся тем, что в подаваемый на термообработку газ вводят дополнительные реагенты, промотирующие процесс, выбираемые из группы: оксиды азота, пероксид водорода, соединения галогенов, непредельные или кислородсодержащие углеводороды или снижающие вероятность сажеобразования (пары воды).

9. Способ подготовки попутных и сырых природных газов по п.1, отличающийся тем, что термообработку проводят в присутствии катализатора.

10. Способ подготовки попутных и сырых природных газов по п.9, отличающийся тем, что катализатор выбирают из группы катализаторов окислительной конденсации метана: оксидов металлов Са, Mg, Sr, Ba, Pb, Sn, Mn, Zn, V, Mo, W, редкоземельных элементов или их смеси, промотированных оксидами щелочных металлов (Li, Na, K, Rb, Cs) и нанесенных на оксидные носители - SiO₂, Al₂O₃, ZrO₂, MgO, TiO₂ , алюмосиликаты, цеолиты.

11. Способ подготовки попутных и сырых природных газов по п.9, отличающийся тем, что катализатор выбирают из группы катализаторов паровой и/или углекислотной конверсии метана (массивные, пористые или нанесенные на носители металлические Ni, Co, Fe, Cr, Pt и их комбинации).

12. Способ подготовки попутных и сырых природных газов по п.9, отличающийся тем, что катализатор выбирают из группы катализаторов окислительного дегидрирования низших алканов: простые и смешанные оксиды V, Sb, Mo, W, Nb, Та, Те, Bi, Mg, Zn, Cu, Pb, Ni, Co, Fe.

13. Способ подготовки попутных и сырых природных газов по п.9, отличающийся тем, что термообработку проводят в совместном присутствии катализаторов различных групп.

14. Способ подготовки попутных и сырых природных газов по п.9, отличающийся тем, что термообработку проводят в несколько последовательных стадий, на каждой из которых не используется катализатор или используются катализаторы различных групп.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к нефтяной и газовой промышленности, в частности к использованию природных и попутных газов в энергетике.

При добыче нефти в процессе сепарации образуется большой объем растворенных в ней попутных углеводородных газов, выход которых (газовый фактор) может превышать 100 м³ на тонну добытой нефти. Они представляют собой смесь газообразных углеводородов различного молекулярного веса, в том числе и тяжелых. Эти попутные газы, обладая высоким энергосодержанием, являются ценным энергетическим сырьем. Но они практически не используются для производства тепла и электроэнергии для собственных нужд промыслов и прилегающих регионов и до сих пор в большом количестве сжигаются в факелах в районах нефте- и газодобычи. Для прямого использования во многих типах современных энергоустановок, в частности, в поршневых двигателях внутреннего сгорания, обеспечивающих привод электрогенераторов малой и средней мощности локальных электростанций, они непригодны из-за присутствия в них значительной доли тяжелых C₅₊ углеводородов, имеющих очень низкую детонационную стойкость и вызывающих интенсивное нагаро- и сажеобразование. Сказанное относится также и к сырым, то есть не прошедшим обработки, природным газам. В результате, промыслы не могут использовать добываемые ими попутные или сырые газы для собственных нужд и вынуждены, сжигая их в факелах, использовать дорогое привозное топливо. Далее в тексте описания выражение «попутные и природные газы» будет означать «попутные и сырые природные углеводородные газы».

Причина непригодности попутных и природных газов для поршневых двигателей внутреннего сгорания состоит в том, что наличие в газовой смеси даже незначительной, немногим более 1% об. концентрации С₅₊ углеводородов, может приводить к появлению детонации в двигателе и не позволяет достигнуть его номинальной мощности. Детонация увеличивает износ частей двигателя и быстро выводит его из строя. В некоторых типах энергоустановок даже предусматривается автоматическое отключение при подаче в них таких газов. Детонационная стойкость газового топлива для двигателей количественно оценивается метановым числом - аналогом октанового числа для жидкого топлива. Чем выше метановое число, тем выше детонационная стойкость.

Ниже описаны два известных способа подготовки попутных и природных газов для использования в двигателях внутреннего сгорания (далее - подготовки), основанные на различных методах выделения отдельных фракций (См.: Технология переработки природного газа и конденсата. Справочник. Ч.1. М.: Недра, 2002, 517 с.).

Известен способ подготовки попутных и природных газов, заключающийся в их разделении на фракции на основе низкотемпературных процессов с использованием расширительных холодильных устройств. При этом из исходного газа удаляются компоненты, снижающие метановое число и вызывающие интенсивное смоло- и сажеобразование. Способ обеспечивает высокий коэффициент извлечения целевых компонентов, а также эффективное использование давления газа и получил определенное распространение. Однако способ требует использования сложной криогенной техники, высокоскоростных турбодетандеров и металлоемкого теплообменного оборудования. Поэтому его применение оправдано только при переработке больших, на уровне 1 млрд. м³/год и выше, объемов газа и экономически неприемлемо для переработки характерных для малой энергетики объемов газа в 0,2-20 млн. м³/год.

Известен также способ компрессионного отделения тяжелых фракций попутных и природных газов, основанный на сжатии и последующем охлаждении газа в воздушных и водяных холодильниках. При этом некоторая часть тяжелых углеводородов и паров воды, входящих в состав газа, конденсируется, а затем отделяется в сепараторах. Как самостоятельный, компрессионный способ применяют крайне редко и только для разделения очень «жирных», то есть содержащих много тяжелых компонентов, газов. Этот способ не обеспечивает достаточной глубины извлечения тяжелых компонентов из газа и обычно сочетается с другими способами. Кроме того, он требует больших затрат энергии на компрессию газов, дорогого компрессорного оборудования и большого объема теплообменного оборудования.

Общим недостатком описанных способов является их экономическая неэффективность при переработке относительно малых объемов газов, потребляемых энергоустановками мощностью от десятков киловатт до нескольких мегаватт. Установки именно такой мощности требуются на большинстве промыслов.

Известен способ подготовки попутных и природных газов, использующий фильтрацию очищаемого газа через фильтры из специально подобранного материала (патент RU 2317844 от 27.03.2006). Способ реализован в установке, содержащей вертикальный и горизонтальные фильтры в виде цилиндрических корпусов, имеющих фильтровальные камеры с фильтрующим материалом, нанесенным на перфорированный каркас, причем в качестве фильтрующего материала используют полотно нетканое геотекстильное Геоком Д-450. Недостатком способа является необходимость частой смены фильтрующего полотна, слишком высокая остаточная концентрация тяжелых углеводородов (0,6%) и значительное снижение энергосодержания, подаваемого в энергоустановку газов за счет отделяемых фракций.

Наиболее близким к предложенному по технической сущности и достигаемому результату является способ подготовки тощих нефтяных газов с содержанием C₃H₈ + высшие от 50 до 100 г/м³ путем адсорбционный очистки. При осуществлении этого способа очищаемый газ прогоняется через твердый пористый материал (адсорбент), поглощающий пары и газы, преимущественно тяжелые углеводороды. В качестве адсорбента для извлечения тяжелых углеводородов (С₅+) рекомендуется использование цеолита NaX (См.: Технология переработки природного газа и конденсата. Справочник. Ч.1. М.: Недра, 2002, с.90). По мере поглощения углеводородов адсорбент постепенно насыщается ими, и качество очистки ухудшается. Для отгонки поглощенных углеводородов и восстановления адсорбционной способности адсорбент обрабатывают перегретым водяным паром. Смесь водяных и углеводородных паров, отогнанных из адсорбента, охлаждается и конденсируется. В качестве адсорбента используют также молекулярные сита и активированный уголь. Недостаток адсорбционных процессов, применяемых для осушки и очистки, - периодичность их работы, связанная с необходимостью смены и регенерации адсорбента, и большой физический объем оборудования.

Общим недостатком всех известных способов подготовки попутных и природных газов является то, что они снижают концентрацию соединений, имеющих низкие метановые числа, разделяя тяжелые и легкие компоненты и отбрасывая хоть и непригодные для данного типа двигателей, но тем не менее ценные в энергетическом отношении составляющие. Вследствие этого снижается полное энергосодержание подготовленного газа.

Задачей настоящего предложения является создание эффективного, дешевого и компактного способа подготовки попутных и природных газов для использования их в стандартных энергоустановках на основе поршневых двигателей внутреннего сгорания, а именно, повышения их детонационной стойкости и снижения вероятности смоло- и сажеобразования при их сжигании. Способ должен сохранять экономическую эффективность при переработке относительно малых объемов газов.

Предложенный способ подготовки попутных и природных газов для использования в поршневых двигателях внутреннего сгорания состоит в том, что подготавливаемый газ в смеси с кислородсодержащим газом, например с воздухом, подвергают термообработке при температуре (450÷1100)°С в течение 0,01-50 с при содержании свободного кислорода в смеси (0,5÷5)%.

Кроме того, термообработку проводят в несколько последовательных стадий при различной температуре и концентрации кислорода на каждой стадии.

Кроме того, термообработку проводят при давлении выше атмосферного.

Кроме того, нагрев подготавливаемого газа или его смеси с кислородсодержащим газом проводят частично или полностью за счет рекуперации тепла обработанного газа.

Кроме того, нагрев подготавливаемого газа или его смеси с кислородсодержащим газом проводят частично или полностью за счет тепла отходящих газов двигателя внутреннего сгорания.

Кроме того, температуру термообработки регулируют путем изменения объема подаваемого кислородсодержащего газа.

Кроме того, приготовление смеси осуществляют путем инжектирования воздуха или другого кислородсодержащего газа в поток подготавливаемого газа.

Кроме того, в подаваемый на термообработку газ вводят дополнительные реагенты, промотирующие процесс, выбираемые из группы: оксиды азота, пероксид водорода, соединения галогенов, непредельные или кислородсодержащие углеводороды или снижающие вероятность сажеобразования (пары воды).

Кроме того, термообработку проводят в присутствии катализатора.

Кроме того, катализатор выбирают из группы катализаторов окислительной конденсации метана: оксидов металлов Са, Mg, Sr, Ba, Pb, Sn, Mn, Zn, V, Mo, W, редкоземельных элементов или их смеси, промотированных оксидами щелочных металлов (Li, Na, K, Rb, Cs) и нанесенных на оксидные носители - SiO ₂, Al₂O₃, ZrO₂, MgO, TiO ₂, алюмосиликаты, цеолиты).

Кроме того, катализатор выбирают из группы катализаторов паровой и/или углекислотной конверсии метана (массивные, пористые или нанесенные на носители металлические Ni, Co, Fe, Cr, Pt и их комбинации).

Кроме того, катализатор выбирают из группы катализаторов окислительного дегидрирования низших алканов: простые и смешанные оксиды V, Sb, Mo, W, Nb, Та, Те, Bi, Mg, Zn, Cu, Pb, Ni, Co, Fe.

Кроме того, термообработку проводят в совместном присутствии катализаторов различных групп.

Кроме того, термообработку проводят в несколько последовательных стадий, на каждой из которых не используется катализатор или используются катализаторы различных групп.

Благодаря термообработке подготавливаемого газа в смеси с газом, содержащим свободный кислород, например с воздухом, повышается детонационная стойкость газа, снижается вероятность смоло- и сажеобразования, газ становится пригоден для использования в качестве топлива для поршневых двигателей внутреннего сгорания. Это достигается снижением концентрации соединений, имеющих низкую детонационную стойкость и повышающих вероятность смоло- и сажеобразования за счет их селективной конверсии в соединения, обладающие более высокой детонационной стойкостью, не склонные к смоло- и сажеобразованию.

Благодаря проведению термообработки приготовленной в указанных пропорциях смеси подготавливаемого газа с кислородсодержащим газом, при указанных температуре и времени, обеспечивается наиболее полная селективная конверсия соединений, имеющих низкую детонационную стойкость и повышающих вероятность смоло- и сажеобразования.

Благодаря проведению термообработки в несколько последовательных стадий при различной температуре и концентрации кислорода на каждой стадии повышается степень конверсии соединений, имеющих низкую детонационную стойкость и повышающих вероятность смоло- и сажеобразования, и тем самым расширяется диапазон применимости способа для попутных и природных газов самого различного состава, при котором сохраняется высокая эффективность способа.

Термообработка при давлении смеси выше атмосферного ускоряет процесс подготовки и позволяет снизить габариты установки.

Благодаря тому что нагрев подготавливаемого газа или его смеси с кислородсодержащим газом проводят частично или полностью за счет рекуперации тепла обработанного газа, снижается энергопотребление процесса.

Благодаря тому что нагрев подготавливаемого газа или его смеси с кислородсодержащим газом проводят частично или полностью за счет тепла отходящих газов двигателя внутреннего сгорания, снижается энергопотребление процесса.

Регулировка температуры термообработки путем изменения объема подаваемого кислородсодержащего газа упрощает установку, осуществляющую предложенный способ, облегчает управление процессом и делает его более надежным.

Приготовление смеси путем инжектирования воздуха или другого кислородсодержащего газа в поток подготавливаемого газа повышает степень конверсии нежелательных соединений за счет повышения однородности смеси и упрощает установку.

Введение в подаваемый на термообработку газ реагентов, выбираемых из группы: оксиды азота, пероксид водорода, соединения галогенов, непредельные или кислородсодержащие углеводороды, промотирует процесс селективной конверсии, позволяя снизить его температуру, а введение паров воды снижает вероятность сажеобразования, то есть повышает качество продукта.

Проведение термообработки в присутствии катализатора, ускоряя процесс и понижая его температуру, снижает энергозатраты, позволяет сократить габариты установки, его осуществляющей, а также снижает требования к применяемым конструкционным материалам, тем самым удешевляя подготовку газа.

Выбор катализатора из трех заявленных групп повышает степень селективной конверсии тех видов газов, которые преобладают в конкретном сыром или попутном газе. Применение наиболее подходящего катализатора, нанесенного на носитель, наиболее соответствующий конструктивному исполнению реактора, оптимизируя процесс, удешевляет его.

Благодаря тому что термообработку проводят в совместном присутствии катализаторов различных групп повышается степень конверсии соединений, имеющих низкую детонационную стойкость и повышающих вероятность смоло- и сажеобразования в случаях, когда подготавливаемый газ содержит смесь нескольких таких соединений, то есть повышается эффективность способа.

Благодаря тому что термообработку проводят в несколько последовательных стадий, на каждой из которых не используется катализатор или используются катализаторы различных групп, на каждой стадии повышается степень конверсии углеводородных соединений, имеющих низкую детонационную стойкость и повышающих вероятность смоло- и сажеобразования, и тем самым расширяется диапазон применимости способа для попутных и природных газов самого различного состава, при котором сохраняется высокая эффективность способа.

Существо изобретения иллюстрируется чертежом, на котором представлена блок-схема одного из возможных вариантов установки, осуществляющей предложенный способ.

Предложенный способ осуществляется следующим образом.

Попутный или сырой, подготавливаемый для использования в качестве топлива для поршневого двигателя газ по трубопроводу 1 (см. чертеж) подается для предварительного подогрева в теплообменник 2. Подогрев осуществляется выхлопными газами двигателя 3, для которого он используется в качестве топлива. Далее сырой газ окончательно подогревается до температуры термообработки в рекуперативном теплообменнике 4 и поступает в реактор 5. Температура термообработки лежит в пределах (450÷1100)°С. При температурах ниже 450°С конверсия не происходит, и это значение принято за нижний предел заявленного диапазона. При температурах свыше 1100°С требуются специальные меры для обеспечения жаростойкости оборудования, особо стойкие конструкционные материалы, что сильно удорожает установку. Кроме того, становится заметным нежелательный крекинг более легких углеводородов. Поэтому указанное значение принято за верхний предел заявленного диапазона.

В реактор 5 одновременно подается, предпочтительно посредством инжектирования в поток подаваемого газа, кислород, воздух или другая смесь газов, содержащая кислород в свободном виде (далее - кислородсодержащий газ) в количестве, при котором объемная концентрация кислорода в смеси с газом будет составлять (0,5÷5)%. Количество поступающего кислородсодержащего газа дозируется вентилем 6. Это количество невелико по сравнению с количеством подготавливаемого газа, и потому предварительный подогрев кислородсодержащего газа не обязателен. Заявленные пределы были установлены экспериментально и обосновываются следующим.

Присутствие кислорода ускоряет термодеструкцию С₅₊ углеводородов. При отсутствии или недостатке кислорода значительная часть этих углеводородов превращается в высокомолекулярные соединения (смолу) и сажу, откладывающиеся на внутренней поверхности аппаратуры и приводящие к ее повышенному износу. При концентрации кислорода 0,5% скорость образования отложений резко уменьшается, а при более высокой концентрации отложения практически отсутствуют. Вместе с тем, повышение концентрации кислорода приводит к увеличению доли газа, окисляющегося до СО₂ и, соответственно, более высокой потере теплосодержания топлива. Кроме того, при концентрации кислорода выше 5% из-за высокого теплового эффекта реакции газ может нагреваться выше оптимальной температуры, а также может возникать опасность локального образования взрывоопасных смесей, и потому это значение было установлено в качестве верхнего предела.

Время нахождения смеси подготавливаемого газа и кислородсодержащего газа в реакторе, то есть время термообработки, составляет (0,01÷50) секунд. При меньших временах не успевает пройти реакция, а большие требуют неоправданного увеличения размеров оборудования.

Затем прошедший термообработку газ, в котором произошла селективная конверсия углеводородов с низкой детонационной стойкостью, поступает в рекуперативный теплообменник 4, где отдает часть своего тепла газу, поступающему на подготовку. Окончательно прошедший термообработку подготовленный газ охлаждается в воздушном холодильнике 7.

Качество подготовки углеводородного газа зависит от степени однородности его смеси с кислородсодержащим газом. Поэтому предпочтительно подавать кислородсодержащий газ посредством его инжектирования в поток углеводородного газа, подаваемого в реактор с помощью инжектора 8.

Потребление газа двигателем 3 изменяется с изменением отбираемой от него мощности. Для стабилизации режима термообработки можно регулировать уровень предварительного подогрева сырого газа с помощью байпасного вентиля 9, направляющего часть выхлопных газов в обход теплообменника 2. Можно также стабилизировать температуру термообработки, регулируя в небольших пределах вентилем 6 количество кислородсодержащего газа, подаваемого в реактор 5. Для управления вентилями 6 и 9 служит автоматический регулятор 10. Датчики температуры и расхода газа, входящие в систему обратных связей регулятора 10 на чертеже не показаны.

Представленная блок-схема установки, осуществляющей предложенный способ, является оптимальной, но не единственно возможной. Установки без предварительного подогрева сырого газа, с приготовлением смеси до нагрева компонентов, без рекуперации тепла обработанного газа также работоспособны.

Запуск двигателя 3 проводится на сыром газе при увеличенной подаче кислородсодержащего газа в реактор 5. Поскольку теплообменники и двигатель обычно прогреваются при неполной нагрузке, а процесс конверсии начинается спустя всего несколько минут, такой запуск не вредит двигателю. При необходимости установка может быть дополнена электрическими или пламенными пусковыми подогревателями.

Предложенный способ может осуществляться в несколько стадий, когда обрабатываемый газ последовательно пропускается через несколько реакторов, в каждом из которых поддерживается определенная температура термообработки и концентрация кислорода.

Предложенный способ осуществим и в случае, когда давление подготавливаемого газа выше атмосферного. В этом случае процесс подготовки ускоряется, а габариты установки снижаются.

Значительное ускорение процесса подготовки достигается, когда термообработка осуществляется в присутствии катализаторов. В зависимости от состава обрабатываемого газа применяется та или иная группа катализаторов из числа указанных выше, либо сразу несколько групп катализаторов, если состав газа нестабилен. Способ применения катализаторов - нанесенные на носители, пористые или массивные - зависит от вида катализаторов, конструктивного их размещения в реакторе, особенностей потребителя подготовленного газа. Использование катализаторов также упрощает конструкцию установки, так как при их отсутствии термодеструкция С₅₊ протекает при значительно более высоких температурах.

Разные группы катализаторов эффективны при конверсии разных групп углеводородов. Если обрабатываемый газ содержит соединения различных групп, то эффективность способа повышается, если в реакторе 5 применяются совместно катализаторы различных групп.

Для повышения эффективности способа конверсия может проводиться в несколько последовательных стадий, при которых газ переходит из реактора в реактор, а в каждом реакторе либо используются катализаторы различных групп, либо не используются катализаторы. При этом температурный режим и концентрация кислорода в разных реакторах могут устанавливаться различными с целью достижения наиболее полной конверсии всех групп углеводородных соединений, входящих в обрабатываемый газ.

Введение наряду с воздухом или кислородсодержащим газом в поток подаваемого на термообработку газа дополнительных реагентов, активирующих процесс, например, оксидов азота, пероксида водорода, соединений галогенов, непредельных или кислородсодержащих углеводородов, облегчает и ускоряет термодеструкцию компонентов фракции С₅₊ . Кроме того, введение этих реагентов, а также паров воды способствует снижению сажеобразования. Но это усовершенствование усложняет способ и целесообразно, либо когда обрабатываются очень большие объемы газа и простота установки не имеет первостепенного значения, либо когда содержание компонентов фракции С₅₊ в исходном газе очень велико.

Как было установлено в ходе разработки предложенного способа, при указанных условиях практически не наблюдается конверсия более легких углеводородов С1÷С4, имеющих высокие метановые числа. В то же время конверсия углеводородов С₅₊, имеющих низкие октановые числа, превышает 95%. Это означает, что предложенный способ обеспечивает селективную, то есть избирательную, конверсию компонентов природного или попутного газа.

Основными продуктами селективного превращения С₅₊ углеводородов при такой термообработке попутных газов в определенных нами условиях являются (в порядке убывания выхода) этилен, метан, этан и монооксид углерода. В продуктах также присутствуют и другие непредельные и кислородсодержащие соединения. Все образующиеся соединения имеют высокие метановые числа и допустимы в составе горючих газов для энергоустановок любого типа. Присутствие кислородсодержащих соединений в топливе увеличивает полноту его сгорания и снижает эмиссию вредных компонентов с продуктами сгорания. В ряде стран предписано добавление в автомобильные топлива 2-2,5% кислородсодержащих соединений (метанола, этанола).

Предложенный способ позволяет просто и экономно, без дополнительных затрат энергии, применения сложного оборудования и с незначительной потерей энергосодержания исходного сырья превращать не менее 95% углеводородов С₅₊ в более стойкие к детонации продукты, т.е. повысить метановое число подаваемого в энергоустановку газа, и, соответственно, ее мощность, а также снизить вероятность смоло- и сажеобразования и тем самым увеличить ресурс ее работы. Главное достоинство предложенного способа в том, что он позволяет вовлечь в использование попутные газы, до сих пор бесполезно сжигаемые на большинстве промыслов.