Полное руководство по очистке природного газа: Методы и технологии

Что такое очистка природного газа и почему она необходима?

Очистка природного газа - важный этап в нефтегазовой промышленности, позволяющий использовать природный газ безопасно, эффективно и по разумной цене. В самом широком смысле под очисткой природного газа понимается процесс отделения нежелательных веществ от сырого природного газа, добываемого из нефтяных скважин или газовых месторождений. Если не удалить эти примеси, они могут привести к порче оборудования, снизить энергетическую ценность газа и стать причиной экологических проблем, таких как выброс парниковых газов.

Почему этот процесс так важен? Прежде всего, очищенный природный газ соответствует стандартам качества трубопроводного газа, которые необходимы для его транспортировки и потребления. Он также помогает поддерживать совместимость с последующими процессами, например, с электростанциями, нефтехимическими и нефтеперерабатывающими заводами, которые используют сухой природный газ в качестве источника энергии. Кроме того, очистка природного газа необходима для соблюдения экологических стандартов, особенно в таких странах, как США, где действуют жесткие законы по выбросу кислотных газов, таких как диоксид серы.

Это не просто процесс достижения определенных технических требований, а процесс получения безопасной, чистой и эффективной энергии путем переработки природного газа. В свете растущей потребности в экологически чистой энергии природный газ более предпочтителен, чем другие углеводороды, такие как сырая нефть. Но для этого необходимо отделить примеси, содержащиеся в сыром природном газе, - процесс сложный, требующий применения сложных технологий и инженерных решений.

Основное оборудование, используемое для очистки природного газа, и его функции

Очистка природного газа требует применения нескольких важнейших единиц оборудования, которые направлены на удаление различных примесей в потоке природного газа. Эти системы помогают обеспечить безопасность, надлежащее качество и соответствие экологическим требованиям природного газа перед его транспортировкой или использованием.

Сепараторы: Во многих случаях на начальном этапе очистки используются обычные сепараторы, чтобы выбить из потока природного газа большие объемы жидкостей, включая воду и более плотные углеводороды. Этот этап полезен для предотвращения повреждения оборудования, расположенного ниже по течению, а также для предотвращения коррозии.

Установки для поглощения аминов: Эти системы необходимы для удаления кислых газов, таких как углекислый газ (CO₂) и сероводород (H₂S). Эти амины вступают в химическую реакцию с кислотными компонентами газового потока и помогают минимизировать содержание серы и соответствовать экологическим стандартам.

Установки для улавливания серы (УУС): Когда сероводород отделяется, его обычно обрабатывают в установках SRU для преобразования в элементарную серу. Эта сера может быть продана для использования в промышленных продуктах, таких как удобрения, что придает процессу экономическую ценность.

Криогенные сепарационные установки: Эти установки используют очень низкие температуры для выделения ШФЛУ, включающих этан, пропан и бутан, из основного потока газа на газоперерабатывающем заводе, в результате чего образуется поток ШФЛУ. Эти жидкости могут использоваться в качестве сырья для производства нефтехимической продукции или как отдельные продукты.

Системы обезвоживания: Чтобы избежать образования гидратов, которые приводят к закупорке трубопроводов, необходимо устранить водяной пар. Один из наиболее распространенных способов сделать это - гликолевая дегидратация, которая помогает сохранить свободную циркуляцию газа при транспортировке.

Системы удаления ртути: Установки для удаления ртути используются в небольших масштабах, но они необходимы для предотвращения воздействия ртути на алюминиевые детали, особенно в криогенных процессах.

Все эти системы выполняют свою специфическую функцию - делают конечный продукт переработки природного газа чистым, безопасным и готовым к выходу на рынок. Правильное применение этих технологий гарантирует эффективную переработку, сохранность оборудования и оптимальное использование ресурсов природного газа.

Процесс очистки природного газа

Процесс очистки природного газа - это сложный процесс, направленный на удаление определенных нежелательных компонентов на различных этапах. Это позволяет убедиться в том, что конечный продукт соответствует установленным стандартам и может быть использован в различных целях. Настало время обсудить основные этапы этого процесса.

Предварительная обработка сырого газа

Первым шагом в процессе очистки природного газа является предварительная обработка сырого природного газа, который обычно сопровождается сырой нефтью, попутной водой и твердой фазой. Предварительная очистка обычно включает в себя применение стандартных сепараторов и фильтров, в том числе для отделения газовых жидкостей. Эти системы отфильтровывают большие объемы примесей, чтобы газ мог пройти другие процессы.

Предварительная очистка также обуславливает состояние газового потока, контролируя его температуру и давление газа, которые необходимы для дальнейшей обработки. Эффективность этого этапа определяет эффективность очистки в целом. Крупные загрязнения должны быть удалены на этом этапе, поскольку они могут нанести вред другому оборудованию на последующих этапах.

Удаление кислотных газов

Процесс очистки природного газа включает в себя удаление кислых газов, таких как сероводород (H₂S) и углекислый газ (CO₂). Следующий шаг - управление этими агрессивными газами, так как при отсутствии должного управления они создают эксплуатационные и экологические проблемы. Например, H₂S может вызвать сильную коррозию трубопроводов и оборудования, ремонт которых может оказаться дорогостоящим и представлять угрозу безопасности. CO₂, с другой стороны, снижает теплотворную способность природного газа и может застывать в ходе криогенных процессов, вызывая тем самым засоры и другие проблемы.

Если кислые газы не удаляются из газового потока, последующие процессы, такие как обезвоживание и извлечение серы, могут быть нарушены или остановлены. Высокие уровни H₂S могут привести к перегрузке установок SRU, что снижает их производительность и увеличивает выбросы вредных газов. Аналогичным образом, даже концентрация CO₂ в 5% может снизить эффективность криогенных сепарационных установок более чем на 20% и уменьшить извлечение ценных углеводородов, таких как пропан и бутан.

Для решения этой проблемы чаще всего используется абсорбция аминов. Амины вступают в химическую реакцию с H₂S и CO₂, в результате чего эти газы отфильтровываются из газового потока. Для дальнейшей очистки используются методы физической адсорбции, такие как адсорбция на молекулярных ситах или адсорбция в режиме качания давления (PSA). Эти методы особенно полезны в тех случаях, когда требуется низкое содержание серы или углерода, например, после сероочистки или при удалении CO₂ в газовых смесях высокого давления. Молекулярные сита (13X, 4A), например, могут селективно адсорбировать CO₂ и H₂S до степени сверхвысокой чистоты газа и могут быть использованы в приложениях, требующих высокой чувствительности.

В некоторых смешанных процессах молекулярные сита или другие адсорбционные агенты используются вместе с химическими методами для достижения лучших результатов, особенно для специфических газообразных смесей.

Таким образом, операторы защищают оборудование, повышают эффективность последующих этапов и соблюдают экологические требования. Этот этап имеет решающее значение для получения высококачественного и экономически эффективного природного газа.

Обезвоживание

Дегидратация - важный этап подготовки природного газа, поскольку газовые гидраты - это твердые, похожие на лед структуры, которые образуются при реакции водяного пара с природным газом при высоком давлении и низкой температуре. Гидраты могут стать причиной таких серьезных проблем, как закупорка трубопровода, перебои в работе и препятствие прохождению природного газа, что приводит к длительным проблемам. Кроме того, вода в газовом потоке вызывает коррозию трубопроводов и технологического оборудования и значительно сокращает срок их службы.

Если процесс обезвоживания не управляется должным образом, это может серьезно повлиять на другие процессы, такие как криогенное разделение и извлечение серы. Например, остаточная вода может замерзнуть в криогенных установках, вызвать блокировку оборудования и снизить извлечение ценных углеводородов, таких как этан, пропан и бутан. Исследования показали, что всего несколько промилле воды могут привести к потере 15-20% в криогенных операциях. Кроме того, вода может растворять кислые газы, такие как CO₂ и H₂S, образуя высококоррозионные кислоты, которые усугубляют проблему.

Первичная дегидратация - один из самых распространенных методов, а гликолевая дегидратация - наиболее часто используемый метод. В этом процессе триэтиленгликоль (ТЭГ) пропускается через газовый поток, где он используется для удаления водяного пара. Это гарантирует, что газ не содержит воды, и обычно он поставляется с содержанием воды менее 7 фунтов/млн фут для обеспечения качества трубопровода. Температура газового потока регулируется для обеспечения эффективности удаления воды и постоянства производительности.

В тех случаях, когда газовые потоки содержат относительно большое количество воды, молекулярные сита 4A также могут быть использованы на первой стадии обезвоживания. Благодаря высокой адсорбционной способности и эффективности молекулярные сита 4А могут быть основным методом в некоторых случаях, например, при низких температурах или когда необходимо уменьшить количество воды перед дальнейшей переработкой. В этих случаях они помогают снизить содержание воды в газе и, следовательно, уменьшить нагрузку на последующие стадии осушки, включая системы ТЭГ, и повысить эффективность процесса газоочистки.

Оба метода необходимы для регулирования содержания воды в природном газе, чтобы обеспечить соответствие техническим условиям трубопровода и подготовить газ к другим последующим этапам обработки. Решение о том, использовать ли дегидратацию ТЭГ, молекулярные сита 4А или оба метода, принимается в зависимости от эксплуатационных требований и состава газа.

После первичной дегидратации необходимо дальнейшее обезвоживание газовых потоков, которые подлежат криогенной переработке или сжижению, например, СПГ.

Молекулярные сита, особенно тип 13X, являются наиболее часто используемыми адсорбентами для глубокой сушки. Они способны удалять воду до уровня менее 0,1 ppm, что делает их пригодными для использования в криогенных системах. Эта способность избирательно адсорбировать молекулы воды даже при очень низких концентрациях гарантирует наилучшую производительность в самых сложных условиях влажности, например, при производстве СПГ.

Другие влагопоглотители, такие как активированный глинозем, используются для умеренных требований к сушке, например, для достижения точки росы -40°C. Активированный глинозем также используется в качестве материала для предварительной обработки, чтобы снизить объемную нагрузку воды на молекулярные сита, тем самым увеличивая их долговечность и производительность. Молекулярные сита предпочтительны для глубокого обезвоживания благодаря их высокой адсорбционной способности, высокой селективности и более длительному сроку службы. Эти свойства делают их неоценимыми для достижения чрезвычайно низких уровней воды, необходимых в криогенных и других жестких процессах.

Благодаря правильному контролю точки росы операторы избегают коррозии и эрозии оборудования, повышают производительность последующих процессов и гарантируют клиентам поставку чистого и сухого природного газа.

Удаление тяжелых углеводородов и ртути

Насыщенные углеводороды и другие примеси, такие как ртуть, удаляются в процессе переработки природного газа, чтобы соответствовать требованиям безопасности, эксплуатации и охраны окружающей среды. Пентан и высшие алканы, присутствующие в тяжелых углеводородах, могут привести к серьезным проблемам в последующих операциях. Эти углеводороды застывают при криогенных температурах, вызывают закупорку оборудования и снижают эффективность процесса извлечения ценных жидких углеводородов, таких как пропан, бутан и этан. Ртуть, в том числе в очень низких концентрациях, разрушает алюминиевые детали в криогенных теплообменниках, что приводит к поломке оборудования, потере времени работы и дорогостоящему ремонту.

Молекулярные сита (5A,13X) являются наиболее широко используемыми современными адсорбентами для удаления этих примесей. Благодаря высокой адсорбционной способности и селективности, они могут эффективно разделять тяжелые углеводороды и одновременно адсорбировать ртуть за один этап. Молекулярные сита особенно полезны в криогенных системах, поскольку они могут работать при низких температурах без ухудшения своих характеристик. Кроме того, они поддаются регенерации, что повышает их доступность и функциональность в долгосрочной перспективе.

В некоторых случаях для удаления ртути в дополнение к основным адсорбентам могут использоваться другие адсорбенты, например активированный уголь. Тем не менее, молекулярные сита считаются более эффективными и универсальными по сравнению с другими адсорбентами. Они не только очищают газ, но и защищают хрупкое последующее оборудование от повреждений и возможного загрязнения, что может стоить очень дорого.

Если не устранить эти примеси, они могут стать причиной серьезных проблем, таких как закупорка криогенных установок, снижение скорости извлечения ценных углеводородов и нарушение экологических норм. Благодаря эффективной очистке тяжелых углеводородов и ртути операторы защищают последующие процессы, извлекают как можно больше ресурсов и соблюдают требования безопасности и экологии.

Восстановление серы

Регенерация серы - важнейший процесс после удаления сероводорода (H₂S) из природного газа. Этот процесс не только сокращает выбросы вредных газов, но и превращает H₂S в элементарную серу, которая является полезным продуктом, используемым в удобрениях, химикатах и других продуктах. Наиболее распространенным методом является процесс Клауса, который включает в себя частичное сжигание H₂S для получения SO₂, а затем реакцию оставшейся H₂S с SO₂ в присутствии катализаторов, таких как активированный глинозем или сульфат бария, для получения элементарной серы.

Еще одним важным моментом при извлечении серы является отсутствие воды в газовом потоке, поскольку вода препятствует эффективности реакций извлечения серы и разъедает оборудование. Молекулярные сита, особенно 4A и 5A, используются на этом этапе для удаления оставшейся воды, а также для повышения каталитической активности процесса конверсии серы. Молекулярные сита используются предпочтительнее других осушителей, таких как активированный глинозем или силикагель, из-за их высокой адсорбционной способности к воде, селективности и термической стабильности.

Помимо преимуществ каталитической активности, молекулярные сита также демонстрируют более высокие характеристики регенерации и срок службы, что делает их более экономичными для долгосрочного использования. Распределение размеров пор этих материалов хорошо контролируется для обеспечения наилучшей адсорбционной и реакционной среды, что приводит к более высокому извлечению серы и улучшению производительности установок.

Благодаря применению молекулярных сит в процессе регенерации серы операторы повышают конверсию H₂S, защищают оборудование и оптимизируют стоимость регенерированной серы в соответствии с экологическими нормами.

Требования к чистоте природного газа в различных отраслях промышленности

Степень чистоты природного газа в разных отраслях промышленности зависит от его использования. Очистка важна для эффективной работы, защиты оборудования и получения качественной продукции.

Трубопроводная транспортировка: К природному газу, предназначенному для транспортировки по трубопроводам, предъявляются очень высокие требования по чистоте, чтобы избежать каких-либо проблем при транспортировке. Газ не должен содержать кислых газов, таких как сероводород (H₂S), водяной пар и другие примеси, которые могут вызвать коррозию трубопровода или образование гидратов при высоком давлении и низкой температуре. Это возможно благодаря применению улучшенных адсорбентов и осушителей, таких как молекулярные сита, активированный глинозем, оксид железа (Fe₂O₃) и активированный уголь.

Среди этих вариантов молекулярные сита (4A, 5A, 13X) особенно эффективны с точки зрения адсорбции. В то время как активированный глинозем подходит для основной сушки, молекулярные сита могут достигать точки росы ниже 0,1 ppm, что позволяет удовлетворить требования к сверхнизкой влажности для чувствительных областей применения. Кроме того, оксид железа и активированный уголь селективны по отношению к определенным примесям, таким как сера или углеводороды; однако молекулярные сита могут адсорбировать воду, CO₂ и H₂S одновременно с высокой селективностью.

Молекулярные сита также имеют более длительный срок службы и высокую скорость регенерации, что более экономично при долгосрочном применении. Эти преимущества делают молекулярные сита предпочтительным выбором для достижения чистоты и надежности, необходимых для трубопроводного транспорта, безопасности и эффективности.

Электростанции и нефтехимическая промышленность: В этих отраслях требуется природный газ очень высокой чистоты для обеспечения их работы и качества продукции. В случае электростанций природный газ должен соответствовать определенным уровням влажности и примесей, а содержание воды обычно не превышает 1 ppm. Такой уровень сухости необходим для предотвращения коррозии в турбинах и котлах, а также для достижения стабильного и эффективного сгорания топлива.

В нефтехимических процессах содержание примесей, таких как сернистые соединения и тяжелые углеводороды, даже в промилле может помешать каталитическим процессам, снизить образование продуктов и привести к повреждению чувствительного оборудования. Природный газ, используемый в качестве химического сырья, должен быть очищен от серы до содержания менее 1 ppm из-за высоких требований к чистоте.

Для удовлетворения этих требований предпочтительны молекулярные сита, поскольку они способны удалять воду до очень низких уровней и в то же время избирательно удалять сернистые соединения и углеводороды. Другие адсорбенты, такие как активированный уголь и оксид железа (Fe₂O₃), используются для удаления некоторых примесей, таких как сера или углеводороды. Однако молекулярные сита более эффективны, селективны и легче регенерируются, чем эти альтернативы, поэтому они используются в более сложных процессах.

Производство жидкостей природного газа (NGL): При добыче таких ШФЛУ, как этан, пропан и бутан, необходимо минимизировать содержание примесей до очень низкого уровня в связи с высокими требованиями к чистоте. В криогенных системах температура может быть ниже -100°C, поэтому содержание воды должно быть ниже 0,1 ppm, чтобы избежать замерзания и образования гидратов, которые могут закупорить оборудование и вызвать сбой в работе системы. Аналогичным образом, концентрация CO₂ должна быть как можно ниже, чтобы не допустить застывания и загрязнения разделяемых компонентов.

Для удовлетворения этих потребностей используются молекулярные сита (4A、5A、13X) для глубокой дегидратации и удаления CO₂. Благодаря высокой площади поверхности и селективности они идеально подходят для достижения очень низкого уровня влаги и примесей, что позволяет проводить эффективные криогенные процессы.

Другие адсорбенты включают активированный глинозем и активированный уголь, которые используются в определенных областях. При умеренном обезвоживании используется активированный глинозем, а активированный уголь применяется для удаления углеводородов и других примесей в следовых количествах. Тем не менее, их производительность и применимость обычно уступают молекулярным ситам, особенно в суровых криогенных условиях.

Передовые адсорбенты, которые могут быть разработаны в соответствии с потребностями конкретной установки, позволяют оператору получать природный газ высокой чистоты, необходимый для производства NGL, при этом минимизируя риск для криогенного оборудования и максимизируя выход продукта.

Нефтеперерабатывающие заводы и специализированные области применения: На нефтеперерабатывающих заводах и в некоторых других областях применения состав природного газа очень важен для соблюдения определенных эксплуатационных требований и характеристик продукции. Например, в химическом производстве легкие углеводороды, такие как метан, должны быть отделены от более тяжелых углеводородов для получения ценных химических веществ, поэтому состав углеводородов должен контролироваться. В таких случаях природный газ, используемый в качестве сырья, может требовать очень низкого содержания серы и влаги, часто менее 1 ppm, чтобы не мешать каталитическим процессам.

Аналогичным образом конденсатные скважины содержат углеводороды, которые добываются и перерабатываются в жидкие продукты, такие как жидкое топливо. Здесь необходимо регулировать наличие примесей, включая CO₂, воду и серу, чтобы повысить качество продукции и эксплуатационные характеристики.

Благодаря адаптации процессов очистки к потребностям отрасли операторы могут обеспечить безопасный, эффективный и высококачественный природный газ для различных целей.

Почему Jalon выбирает молекулярные сита для своих нужд?

Компания Jalon является одним из ведущих мировых производителей превосходных молекулярных сит, которые используются в промышленности уже более двух десятилетий. В настоящее время мы имеем 112 зарегистрированных патентов и экспортируем их в 86 стран и регионов, предлагая инновационные решения для 20 различных областей применения.

Наши молекулярные сита типов A, X и Z оптимизированы для использования в системах разделения, очистки и обезвоживания. Мы сертифицированы по стандартам ISO 9001 и ISO 14001, что гарантирует качество и экологичность процессов.

Jalon предлагает вам преимущество в виде самой опытной команды, лучших технологий производства и гарантии качества для обеспечения высочайшей надежности ваших приложений. Выбирайте нас за надежную цепочку поставок и инновационные решения, которые помогут вам добиться успеха.

Достижения, проблемы и перспективы очистки природного газа

Технология очистки природного газа получила значительное развитие в связи с растущим спросом на экологически чистую энергию и повышением стандартов. Новые криогенные процессы и более совершенные адсорбционные процессы и среды, такие как молекулярные сита, позволили отделять и удалять примеси с большей эффективностью и селективностью. Эти разработки помогают не только достичь большей степени чистоты, но и сэкономить энергию и расходы. Однако, чтобы уменьшить влияние промышленности, очистительные установки работают на возобновляемых источниках энергии, таких как солнечная или ветряная энергия.

Однако некоторые вопросы до сих пор не решены. Самый сложный вопрос - как покрыть затраты на очистку и при этом сохранить экономическую ценность очищенного газа. Технологии, позволяющие проводить глубокую дегидратацию, удаление кислых газов и ртути, могут оказаться капиталоемкими. Кроме того, по мере дальнейшего повышения экологических стандартов системы очистки должны быть способны справляться с более сложными примесями, а также минимизировать выбросы парниковых газов.

Перспективы будущего определяются концепцией устойчивости при создании технологий очистки. Ожидается, что системы удаления диоксида углерода, способные улавливать и хранить или перерабатывать CO₂, будут приобретать все большую популярность по мере того, как мир будет переходить к снижению выбросов углекислого газа. Также существует интерес к небольшим и портативным системам очистки, особенно для экстремальных и маломасштабных применений, благодаря их гибкости и логистике.

Будущее очистки природного газа будет зависеть от того, насколько она сможет удовлетворить постоянно меняющиеся потребности в энергии, решить проблемы стоимости и экологии. Дальнейшее развитие позволит сделать природный газ стабильным, эффективным и устойчивым источником энергии в процессе перехода к более чистому энергобалансу.