автореферат диссертации по строительству, 05.23.03, диссертация на тему:Совершенствование оборудования очистки попутных нефтяных газов для систем газоснабжения коммунально-бытовых и сельскохозяйственных объектов

л

I

На правах рукописи

0034Э0085

— { - -

£

КОТОВ АЛЕКСЕЙ ВИКТОРОВИЧ

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ОБОРУДОВАНИЯ ОЧИСТКИ ПОПУТНЫХ НЕФТЯНЫХ ГАЗОВ Д ЛЯ СИСТЕМ ГАЗОСНАБЖЕНИЯ КОММУНАЛЬНО-БЫТОВЫХ И СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ ОБЪЕКТОВ

Специальности 05.23.03 Теплоснабжение, вентиляция, кондиционирование воздуха, газоснабжение и освещение 03.00.16 Экология

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

,1 4 Ш 2010

ВОЛГОГРАД - 2009

003490085

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования "Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет"

Научный руководитель

доктор технических наук, профессор

Научный консультант доктор технических наук старший научный сотрудник

ДИДЕНКО

ВАСИЛИЙ ГРИГОРЬЕВИЧ ЮРКИВ

НИКОЛАЙ ИВАНОВИЧ

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор ГОЛОВАНЧИКОВ

кандидат технических наук

АЛЕКСАНДР БОРИСОВИЧ ГОУ ВПО "Волгоградский государственный технический университет" ШАГИНЯН АЛЕКСЕЙ ЮРЬЕВИЧ ДАО "Газпроектинжиниринг"

Ведущая организация:

ООО "Газпром трансгаз Волгоград"

Защита диссертации состоится 30 декабря 2009 года в 13.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.026.03 в ГОУ ВПО "Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет" по адресу: 400074, г. Волгоград, ул. Академическая, 1 ауд. В-710

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО "Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет"

Автореферат разослан 30 ноября 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета / Сергина Н.М.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность проблемы. Реализация программы широкой газификации сельских населенных пунктов и малых городов России в условиях растущего спроса на природный газ, требует существенного расширения ресурсной базы получения углеводородного газового топлива. Характерной тенденцией в этой перспективе является возрастающая интенсивность эксплуатации региональных месторождений серосодержащих природных газов, а также использование малодебитпых нефтедобывающих предприятий как источников получения попутного нефтяного газа. Последнее следует рассматривать в качестве альтернативной и достаточно перспективной возможности повышения объемов производства газового топлива.

Использование региональных источников попутных нефтяных газов, несвязанных с единой системой газоснабжения, позволяет значительно снизить транспортные расходы и обеспечить большую надежность газоснабжения малых населенных пунктов. Это особенно актуально для развития производственной базы и социально-бытового сектора удаленных и труднодоступных сельскохозяйственных районов, поскольку оказывает прямое воздействие на условия и образ жизни их населения.

Определяющим условием решение названной проблемы является исключение подачи потребителю некондиционного газового топлива, для чего должна быть предусмотрена эффективная комплексная очистка попутного нефтяного газа до его поступления в газораспределительные сети сельских и малых городских комплексов. Особая значимость этого состоит в том, что коммунально-бытовые и другие потребители, использующие в качестве топлива малосернистые газы, становятся источниками поступления в воздух помещений и выбросов в атмосферу значительных количеств оксидов серы. Столь же существенно, по экологическим последствиям, и наличие в газах конденсата, проявляемое в увеличении выхода с дымовыми газами двуокиси углерода - одним из основных составляющих "парниковых газов", лимитируемых международными соглашениями

Природный газ, согласно технологическим нормам, проходит достаточно тщательную очистку от вредных газовых примесей перед его подачей в газотранспортную систему. Кроме того, в распределительных сетях он дополнительно очищается от механических примесей в циклонных и кассетных фильтрах. Что касается попутных нефтяных газов, то вопрос их очистки решается, исходя из внутренних потребностей добывающего предприятия. Наиболее эффективно его очистка ведется на перерабатывающих предприятиях в сложных по аппаратурному исполнению и дорогостоящих в эксплуатации газоочистных установках. Применение таких установок на региональных и малодебитных источниках попутных нефтяных газов будет нерентабельна.

Таким образом, вопрос стоит о разработке достаточного эффективных, простых, экономичных газоочистных установок, реализующих современные технологии извлечения вредных примесей и совместимых с условиями эксплуатации распределительных сетей населенных пунктов - высокого, среднего и низкого давления.

Из анализа функциональных возмолсиостей известных методов извлечения неоднородных компонентов из углеводородных газовых сред следует, что наиболее рационально эта цель может быть реализована на основе абсорбционных процессов в интенсивных установках мокрой очистки. Поэтому, наряду с их разработкой, определяющей задачей является нахождение жидкого поглотителя, обладающего высокой поглотительной способностью к кислым газам и возможностью эффективной регенерации в широком диапазоне рабочих температур. Решение названых задач является предметом разработки настоящей диссертации.

Работа выполнялась в соответствии с тематическим планом научно-исследовательской работы в Волгоградском Государственном архитектурно-строительном университете и Программой утилизации попутных нефтяных газов организаций группы ООО «ЛУКОЙЛ-Волгограднефтегаз» на 2006-2011 год

Цель и задачи исследования: обеспечение возможности экологически безопасного использования попутного нефтяного газа региональных источников для коммунально-бытового газоснабжения малых населенных пунктов посредством его комплексной очистки в режиме пенодинамического контакта с оптимизированным жидким поглотителем.

Для достижения поставленной цели в работе решались следующие основные задачи:

- анализ и оценка характерного состава и свойств загрязняющих примесей попутных нефтяных газов применительно к условиям использования в системах коммунально-бытового газоснабжения;

- исследование, анализ и обобщение закономерностей абсорбционно-разделительных процессов комплексной очистки попутных нефтяных газов от кислых и дисперсных включений в пенодинамическом слое жидкого поглотителя, формируемого посредством его вихревой инжекции очищаемым потоком;

- определение эффективного вида жидкого поглотителя кислых примесей попутных нефтяных газов, оптимизированного в широком диапазоне рабочих температур их поглощения и регенерации отработавшего поглотителя;

- обобщение результатов исследований в форме инженерных решений и рекомендаций по очистке нефтяных газов с эффективностью, обеспечивающей экологическую безопасность его использования в системах коммунально-бытового газоснабжения малых населенных пунктов.

Основная идея работы состояла в исследовании и определении эффективных режимно-технологических условий и аппаратурного оформления установок комплексной очистки попутного нефтяного газа в пенодинамическом слое жидкого поглотителя, обеспечивающих его экологически безопасное использование в системах коммунально-бытового газоснабжения.

Методы исследования включали: аналитическое обобщение известных научных и технических результатов, исследования на лабораторных и опытно-промышленных установках, обработку экспериментальных данных методами математической статистики и корреляционного анализа.

Достоверность научных положений, выводов и результатов обоснована применением классических положений теоретического анализа, моделированием изучаемых процессов, планированием числа экспериментов и подтверждена удовлетворяющей сходимостью полученных результатов теоретических и экспериментальных исследований в лабораторных и промышленных условиях, а также результатами других авторов.

Научная новизна работы:

- обоснована перспективность использования водного раствора природного бишофита в качестве эффективного поглотителя кислых примесей попутных нефтяных газов, обеспечивающего их экологически безопасное использование в системах коммунально-бытового газоснабжения;

- предложена математическая модель и дано описание процесса поглощения кислых газов в пенодинамическом слое водного раствора бишофита, формируемом в режиме вихревой инжекции;

- экспериментально подтверждена реализуемость предложенной математической модели процесса поглощения кислых примесей попутных нефтяных газов, в пенодинамическом слое водного раствора бишофита, формируемом в режиме вих-резой инжекции;

- экспериментально исследованы и обобщены параметрические зависимости процесса поглощения кислых примесей в пенодинамическом слое, формируемом посредством вихревой инжекции водного раствора бишофита закрученным потоком очищаемого газа;

- сформулированы и обобщены режимно-технологические условия модульного аппаратурного оформления процессов очистки попутных нефтяных газов в пенодинамическом слое водно-бишофитного поглотителя с эффектом обеспечения экологической безопасности использования в системах коммунально-бытового газоснабжения.

Практическая значимость работы:

- разработаны технологические основы способа реализации абсорбционных и разделительных процессов комплексной очистки попутных нефтяных газов в пенодинамическом слое водно-бишофитного поглотителя, обеспечивающего их экологически безопасное использование в системах коммунально-бытового газоснабжения;

- определен эффективный состав водно-бишофитного поглотительного раствора дня очистки попутных нефтяных газов от кислых примесей в условиях вих-реинжекционного формирования динамической пены;

- проведена разработка аппаратурного исполнения унифицированного модульного скруббера с вихреинжекционным режимом формирования пенодинами-ческого слоя водно-бишофитного поглотителя;

- разработаны унифицированная структурно-компоновочная и технологическая схемы блочно-модульной установки вихреинжекционных пенных скрубберов (ВИПС) для комплексной очистки попутных нефтяных газов в пенодинамическом слое водно-бишофитного поглотителя;

- определен принцип оптимизации управления процессом очистки попутного нефтяного газа в режиме его пенодинамического контакта с водно-бишофитным поглотителем по схеме частичного байпасирования;

- определены оптимизированные условия регенерации водно-бишофитного поглотителя в зависимости от режимно-технологических параметров процесса очистки попутных нефтяных газов;

- предложена методика инженерного расчета блочно-модульных установок вихреинжекционных пенных скрубберов и энергоэффективного процесса очистки попутных нефтяных газов водным раствором бишофита.

На защиту выносятся:

- теоретическое обоснование перспективности использования водного раствора природного бишофита в качестве эффективного поглотителя кислых примесей попутных нефтяных, газов, обеспечивающего их экологически безопасное использование в системах коммунально-бытового газоснабжения;

- результаты экспериментальных исследований и обобщений параметрических зависимостей, характеризующих процесс поглощения кислых примесей и дисперсных включений в пенодинамическом слое, формируемом посредством вихревой инжекции водного раствора бишофита в режиме его непрерывной регенерации;

- результаты и обобщения режимно-технологических условий модульного аппаратурного оформления процессов очистки попутных нефтяных газов в пенодинамическом слое водно-бишофитного поглотителя с эффектом обеспечения экологической безопасности использования в системах коммунально-бытового газоснабжения;

- разработка аппаратурного исполнения унифицированного модульного скруббера с вихреинжекционным режимом формирования пенодинамического слоя водно-бишофитного поглотителя;

- унифицированная структурно-компоновочная и технологическая схемы блочно-модульной установки вихреинжекционных пенных скрубберов (ВИПС) для комплексной очистки попутных нефтяных газов в пенодинамическом слое водно-бишофитиого поглотителя;

- принципы оптимизации управления процессом очистки попутного нефтяного газа в режиме его пенодинамического контакта с водно-бишофитным поглотителем по схеме частичного байпасирования;

- результаты экспериментального определения оптимизированных условий регенерации водно-бишофитного поглотителя в зависимости от режимно-технологических параметров процесса очистки попутных нефтяных газов.

Реализация результатов работы:

- прошла испытания и предложена для внедрения в эксплуатационную практику техмероприятий ООО "ЛУКОЙЛ-Волгограднефтегаз" по "Программе утилизации попутных нефтяных газов" организаций группы ОАО "ЛУКОЙЛ" на 20062011 г. опытно-промышленная модульная установка для очистки попутных нефтяных газов от серосодержащих примесей;

- ООО "ЛУКОЙЛ-Волгограднефтегаз" переданы рекомендации по применению водно-бишофитного раствора в качестве эффективного поглотителя при очистке от кислых примесей попутных нефтяных газов в скрубберах с пенодинамиче-ским режимом работы;

- результаты диссертационной работы переданы ООО "ЛУКОЙЛ-Волгограднефтегаз" в качестве основы разработки целевой научно-технической программы обеспечения экологической безопасности коммунально-бытовых и промышленных потребителей газового топлива в условиях использования источников серосодержащих газов и газов нефтепереработки с нестабильным компонентным составом;

- материалы диссертационной работы использованы кафедрой ОВЭиПБ ВолгГАСУ в курсах лекций, лабораторных циклах, курсовом и дипломном проектировании по дисциплинам специальностей 270109 "Теплогазоснабжение и вентиляция", 280202 "Инженерная защита окружающей среды" и 280200 "Защита окружающей среды".

Апробация работы.

Основные положения и результаты работы докладывались и получили одобрение на научно-технических конференциях: "Качество внутреннего воздуха и окружающей среды" (Волгоград, 2007-2009 г.); ежегодных научно-технических конференциях Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета (2003-2009 г.), ежегодных конференциях НТО нефтяников и газовиков им. И.М. Губкина 'Защита окружающей среды в нефтегазовом комплексе" (2002-2009 г.).

Публикации. Основные результаты исследований по теме диссертации опубликованы в 8 работах, в том числе 2 работы в изданиях, рекомендованных ВАК.

Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы, включающего 125 наименований, и приложений, общим объемом 135 страниц, содержит 30 рисунков и 13 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дано обоснование социально-экономической актуальности проблемы обеспечения возможности экологически безопасного использование попутного нефтяного газа региональных и малодебитных источников для нужд коммунально-бытового газоснабжения населенных пунктов сельской местности; сформулированы цель, задачи и основная идея диссертационной работы, ее научная новизна и практическая значимость, приведены сведения об апробации и практическом использовании результатов проведенных исследований.

В первой главе проведен анализ вопросов, определяющих возможность использования попутного нефтяного газа в решении актуальной проблемы газификации жилищно-коммунальной сферы и объектов переработки сельхозпродукции малых городов и населенных пунктов сельской местности.

Сравнение показывает, что по составу и физико-химическим свойствам попутный нефтяной газ (ПНГ), как разновидность природных горючих газов, отли-

чается от "чисто метанового" сухого газа более высоким содержанием тяжелых углеводородных фракций: этана - до 21%, пропана - до 20%, бутана - до 10%, а также влаги и твердофазных включений. Особое значение имеет частое и повышенное содержание в нем кислых балластных примесей - сероводорода и углекислого газа. Последнее обстоятельство определяет основное условие возможности применения ПНГ для целей коммунально-бытового газоснабжения - реализацию эффективной очистки ПНГ от кислых примесей и, прежде всего, от сероводорода до уровня, определяемого нормативными требованиями к природным горючим газам

- 0,02 мг/м3. При этом, с целью максимального сопряжения с применяемым газовым оборудованием, аппаратурное оформление установок очистки ПНГ должно отвечать условиям высокой степени их унификации, надежности и безопасности.

Совершенствованию средств и способов очистки газов, в том числе и углеводородных, посвящены работы многих отечественных (М.Е. Позин, С.С. Сермани-зов, В.М. Гальперин, И.П. Мухленов, В.Г. Диденко, Ю.Д. Молчанов, A.B. Аксенов, Н.И. Юркив, Д.С. Сабырханов, И.В. Брызгалин и др.) и зарубежных исследований

- Дж.Б. Блейч, Д. Раад, С. Кальверт, В.Г. Витман, А.И.Ш. Салех и др. Обобщение полученных ими данных позволяет считать для рассматриваемых условий наиболее перспективным реализацию процесса газоочистки в высокоинтенсивных аппаратах с пенодинамическим режимом контакта очищаемого газа с легкорегенери-руемым поглотителем.

Вторая глава содержит результаты теоретического анализа закономерностей формирования пенодинамического слоя поглотительным раствором и реализуемых в нем процессов массо-и теплообмена применительно к условиям очистки многокомпонентного неоднородного потока газа в пенодинамическом слое поглотителя.

Обобщение структурных особенностей формирования динамической пены жидким поглотителем, в общем случае позволяет рассматривать ее как двухфазную многокомпонентную и газожидкостную систему, особенности переноса импульсов движения, тепла и массы, в которой определяют механизмы межфазного взаимодействия и свойства фаз. Из этого, применительно к задаче количественной оценки эффекта межфазного обмена в слое динамической пены, селективная характеристика каждого рассматриваемого процесса может быть получена из анализа общих уравнений гидродинамики, тепло-и массообмена, путем их преобразования через безразмерные критериальные комплексы, представляемые в форме их постоянных коэффициентов, построенных по масштабам размерных переменных и физическим свойствам взаимодействующих сред. Их обобщение, для условия осреднения параметрических значений и однонаправленного движения фаз, дает возможность получить системы критериальных уравнений, описывающих закономерности процессов межфазного обмена количеством движения, тепла и массы в активном объеме пенодинамического слоя, т.е. характеризующих реализуемые в нем процессы

Для данной системы уравнений и краевых условий, однозначно характеризующих физико-параметрические закономерности реализуемого в пенодинамиче-ском слое процесса, описывающие его зависимости, могут быть получены в явном виде на основе обобщения экспериментальных данных, соответствующих краевым условиям построения данной системы.

Третьи глава посвящена анализу и обобщению результатов лабораторных экспериментов по исследованию закономерностей процессов нейтрализации кислых примесей углеводородных газов (на примере сероводорода) в пенодинамиче-ском слое водного раствора бишофита. Конечной целью обобщения экспериментальных данных являлось определение взаимосвязи режимных параметров формирования пенодинамического слоя и закономерностей массобмена в процессах очистки и осушения газа.

На рис. 1 представлены данные, характеризующие зависимость высоты слоя динамической пены Нп в камере инжектора от скоростного режима и значений высоты "светлой жидкости" в пенодинамическом слое Ьж для системы "воздух-50% водобишофитный раствор".

Как видно из рис. 1 высота пенного слоя при Ьж = const резко возрастает с увеличением скорости газа. Для условий постоянства скорости газа рост высоты слоя пены с увеличением Ьж отличается значительно меньшей динамикой, но существенно повышается с увеличением значений скорости.

Рис. 1. Зависимость высоты пены от высоты светлой жидкости Ьж при: ■ W = 5м/с; ▲ W = 7 м/с; • W = 8 м/с; □ W = 9m/c; AW = 9m/c.

Обеспечение условия Ьж = const, а также изменение ее значений в оцениваемых экспериментах, осуществлялись путем установки соответствующего начального (стартового) уровня жидкого поглотителя в аппарате — ho-

Из этого следует, что изменение значения Ь0 можно рассматривать как параметр управления процессом вхреинжекционного формирования динамической пены бишофитным раствором.

Проведенным анализом особенностей формирования слоя динамической пены, межфазное трение определяется как фактор удерживания в объеме пенного слоя жидкости, количество которой (опосредованно характеризуемое величиной Ьж) обусловлено заданным значением начального уровня Ь0.

В результате обобщения экспериментальных данных на основе (2), получен явный вид критериального уравнения, параметрически определяющего условия образования слоя динамической пены водно-бишофитным поглотителем в контактной камере инжектора

Одновременно, проявление сил трения на межфазной поверхности контакта фаз, определяет и величину гидравлических потерь при формировании структуры динамической пены.

Закономерности изменения величины г идравлического сопротивления движению газа через слой динамической пены, формируемой жидким поглотителем, характеризуется общим критериальным уравнением (3). Математическая обработка экспериментальных данных позволила привести его к явному виду

который дает возможность количественной оценки величины гидравлического сопротивления (АРП) пенодинамического слоя от определяющих режимных параметров его формирования.

На рис. 2 представлены данные, характеризующие зависимость величины потерь давления в пенном слое бишофитного поглотителя от значения Rer и величины Ьж. Из их анализа очевидна тенденция роста интенсивности изменения зависимости АР = /(Re,. ^ для всех значений Ьж = const. При этом значительно повышается

рост потерь давления газа на формирование пенного слоя с увеличением Ьж, т.е. количеством инжектируемого поглотителя.

Полученные графики определенно указывают на возможность оптимизации режимно-технологических параметров совмещаемых процессов комплексной очистки газа от нескольких компонентов за счет изменения режимных условий формирования пенодинамического слоя бишофитным поглотителем.

(4)

(5)

Рис. 2. Зависимость гидравлического сопротивления пенодинамического слоя от скоростного режима движения газа при: ♦Ьц. = 200 мм; ■ Ьж = 300 мм; а Ьж = 400 мм; хЬж = 500 мм.

Это подтверждают представленные на рис. 3 расчетные графики и эмпирические точки, отражающие закономерности изменения коэффициента массопередачи в зависимости от значения Rer и величины Ьж.

Рис. 3. Зависимость коэффициента массопередачи от скорости воздуха: хЬ, = 200 мм; *ЬЖ = 300 мм; о Ьж = 500 мм

Обработка экспериментальных данных на основе критериального уравнения массообмена (2), с учетом перечисленных выше условий, позволила привести его к форме, количественно характеризующей особенности рассматриваемых процессов нейтрализации

Ы («Ь) и ■

Сделанные выше выводы позволяют считать возможным использование полученного выражения в практических расчетах эффективности абсорбционной очистки газа от серосодержащих и других газообразных балластных примесей. Последнее полностью подтверждено результатами лабораторных экспериментов, результаты которых представлены на рис. 4.

Из графиков рис. 4. видно, что процесс нейтрализации сероводорода наиболее эффективно проходит в области рН = 6-10 ед., а с дальнейшим ростом значения рН происходит плавное снижение нейтрализующей способности поглотительного раствора к сероводороду.

П.,%

Рис. 4. Зависимость эффективности процессов нейтрализации (1) сероводорода и регенерации (2) поглотителя от рН поглотительного раствора

Из анализа экспериментальных данных можно сделать вывод, что хромовый ангидрид (как базовый компонент поглотителя) может обеспечить высокую эффективность нейтрализации сероводорода бишофитным поглотителем при рН раствора 7-10 ед.

Для процессов контактного взаимодействия газа с водоосновным поглотительным раствором, частным случаем массообмена являются процессы испарения водной основы поглотителя или конденсации водяных паров из влагонасыщенного газа. В последнем случае результатом процесса является, составляющий значительный практический интерес, эффект осушения газа.

Очевидно, что для осушения, как разновидности массообменных процессов, будет справедливо общее критериальное уравнение массобмена (2), в котором соотношение концентраций (Сж/Снр.г.) можно заменить соотношением влагосодержа-ний (dp/di). Проведенные эксперименты и результаты вычислений показывают, что процесс осушения газа (в эксперименте - воздух) идет в близком к адиабатическому режиму приближении к линии I = const.

В четвертой главе изложены основные принципы унификации элементной базы конструктивного исполнения газоочистного устройства и оптимизации режимных параметров управления процессом очистки попутного нефтяного газа.

Обобщением теоретических и экспериментальных данных показано, что наибольший (по степени интенсивности межфазного обмена) управляемый эффект формирования динамической пены, дает механизм вихревой инжекции жидкого поглотителя закрученным потоком газа. Для его эффективной реализации в определенной последовательности должны осуществляться: подвод жидкого поглотителя в зону его вихревой инжекции потоком очищаемого газа; их однонаправленное восходящее движение в состоянии структурно оформленной динамической пены; ее центробежную сепарацию на отработавший жидкий поглотитель и очищенный поток газа; сепарацию остаточной капельной дисперсии и отвод очищенного газа из зоны сепарации. Согласно этому, путем унификации структурных элементов газоочистного устройства, из условия минимизации непроизводительных энергетических затрат на транспортирование газа через каждый структурный элемент, разработана унифицированная схема компоновки газоочистного устройства в форме блочно-модульного скруббера - рис. 5.

,-3

Рис. 5. Компоновочная схема модулированного вихрепенного многоинжекторного скруббера: 1- техноло-1 гический блок; 2 - вспомогательный

блок; 3 - сепарационный блок; 4 -приемный патрубок; 5 - вихревые инжекторы; 6 - разделительная диафрагма технологического блока; 7 - байпас; 8 - сепарационная круговая решетка; 9 - регулятор начального уровня поглотителя.

О

Т

Основываясь на гидродинамической общности механизма пенообразования для всех реализуемых процессов, заданности границ объема пенного слоя и прочих равных условий, определено, что для степени ц высокоэффективного улавливания неоднородных компонентов (принимаемой в качестве критерия оптимальности) режим вихреинжекционного пенообразования должен подбирается по величине приведённой скорости потока \уг и показателя объема инжектируемой жидкости Ьж путем варьирования начального уровня Отсюда, соответствующую названным условиям задачу управления режимом работы скруббера, можно определить как его контроль (измерение) в закрытом резервуаре уровня жидкости Ь(), совпадающего с границей раздела сред, отличающихся многократным различием плотности. Универсальной моделью реализации такого измерения является построенная по принципу использования выталкивающей силы жидкости, система датчика-поплавка, жёстко связанного с измерительным устройством - дозатором жидкости, подаваемой для поддержания ее рабочего уровня в поддоне ВИПС.

В пятой главе обобщены результаты оценки функциональной надежности и экологической безопасности системы газоснабжения коммунально-бытового и малого производственного сектора попутным нефтяным газом.

Из оценки формализованных признаков техногенной опасности объектов и процессов показано, что надежность системы газоснабжения представляет собой комплексный показатель, определяющий степень ее способности сохранять в заданных условиях эксплуатации свои функциональные свойства и минимизировать возможность их отклонений, способных вызвать аварийную ситуацию. Отсюда основным условием в обеспечении необходимой (расчетной) степени надежности систем газоснабжения является поддержание давления у газопотребляющего оборудования и приборов на заданном оптимальном уровне при произвольных изменениях расхода газа в сети в широких пределах его значений.

Анализ закономерностей регулирования режимных параметров работы газоочистной установки модульных ВИПС показал, что процесс регулирования работы каждого скруббера автономен и не взаимосвязан с режимными условиями транспорта газа. Из этого следует, что реализация процесса очистки газа в скрубберах не будет оказывать лимитирующего воздействия на работу регулирующей и предохранительно-запорной арматуры и оборудования сети, т.е. влиять на ее надежное и устойчивое функционирование.

Таким образом, включение унифицированной скрубберной установки пено-динамической очистки газа бишофитным поглотителем в состав системы газоснабжения попутным газом, отвечает общепринятым регламентируемым показателям ее надежности.

На основании оценок физико-химических свойств бишофита, показавших перспективность его использования, как наиболее универсального поглотителя для сероводорода и, потенциально, других газообразных балластных примесей, с учетом результатов лабораторных экспериментов сформулированы основополагающие условия промышленной технологии очистки попутного нефтяного газа в пе-нодинамическом слое бишофитного поглотителя, формируемого в режиме вихревой инжекции (патент № 2236892 на способ очистки газов от окислов серы). Согласно этому осуществлена разработка аппаратурного оформления и технологических основ функционирования промышленной установки газоочистки на базе вихре-инжекционных пенных скрубберов (ВИПС). Структурно, установка (рис. 6) включает два идентичных унифицированных модуля: газоочистки (2) и регенерации поглотителя (4), выполненных по схеме рис. 5.

О

ЛЁ

и ■3=

Рис. 6 Принципиальная схема процесса очистки углеводородных газов от сероводорода с использованием ВИПС: 1 - насос; 2 - ВИПС-нейтрализатор; 3 - газовый сепаратор; 4 - ВИГГС-регенератор; 5 - вентилятор; 6 - фильтр; 7 - емкость.

Исследование режимно-технологических закономерностей реализации разработанной технологии проводилось на специально смонтированной опытно-промышленной пилотной установке очистки попутного нефтяного газа (рис. 7) на Макаровской нефтегазосборном пункте Жирновского НГДУ в течение пяти лет с 2004 года, очищаемый установкой газ использовался для технологических нужд.

Рис. 7. Пилотная газоочистная установка на основе ВИПС

На предварительном этапе промысловых испытаний установки была проведена оценка реализуемости технологических циклов нейтрализации сероводорода и регенерации поглотителя с целью определения режимных условий, обеспечивающих надёжность её работы в условиях реального изменения температуры воздушной среды.

Результаты обработки полученных данных (рис. 8) показывают, что эффективность процесса нейтрализации сероводорода принятым составом поглотительного раствора бишофита достигает максимальных величин в интервале температур от - )0 до +30°С, тем самым определяя область температур для эффективного веде-

ния реакции. В интервале температур от 30 до 40°С - области высоких температур нейтрализации, степень очистки так же выше 99%. При температурах ниже -10°С и выше 45°С степень очистки газа и нейтрализации сероводорода плавно снижается. Из этого можно сделать вывод, что процесс нейтрализации сероводорода из углеводородных газов будет осуществляться с приемлемой эффективностью в интервале температур от -10 °С до +40°С, когда содержание остаточных концентраций сероводорода в очищенном попутном нефтяном газе будет соответствовать требованиям отечественных стандартов.

Рис. 8. Зависимость эффективности поглощения (т;Л,) и регенерации поглотительного раствора (т]к) от температурных условий реализации процессов

На основании осреднения данных промысловых испытаний за весь период эксплуатации пилотной промышленной установки был выполнен анализ экологической эффективности бишофитной технологии газоочистки, реализуемой в условиях оптимизированных режимных параметрах её функционирования. Представленная в графической форме на рис. 9 данные промысловых испытаний, характеризующие зависимость остаточной концентрации сероводорода в очищенном газе, показывают, что в пределах диапазона температур воздушной среды от - 15°С до +45°С величина этих концентраций ниже предельного значения (0,02 . ¡г/м3), регламентируемого техническими требованиями к качеству природных горючих газов. Из этого следует, что использование очищенного попутного нефтяного газа в качестве топливного для коммунально-бытового и промышленного потребления полностью соответствует требованиям действующих санитарных норм.

Таким образом, основным фактором экологической опасности использования попутного нефтяного газа следует считать возможность повышенного загрязнения окружающей среды продуктами его сжигания в газопотребляющих устройствах -котлах, печах, индивидуальных водонагревателях и т.д.

С,мг/м3

Рис. 9. Зависимость остаточной концентрации сероводорода в очищаемом газе на выводе из газоочистной установки.

Из анализа особенностей горения попутного нефтяного газа был проведен численный эксперимент по оценке его экологичности по сравнению с природным газом и другими видами топлива, методологически основанный на сопоставлении создаваемых выбросами основных продуктов их сгорания значений концентраций в приземной зоне воздушной среды населённых пунктов с нормируемыми значениями предельно допустимых концентраций. Расчёты выполнялись по общепринятым методикам для формально идентичных условий рассеивания - конструктивных (точечный, высота - 10 м), режимных (температура = 150°С) и метеорологических параметров г. Волгограда.

На рис. 10 в графической форме представлены результаты расчётов рассеивания выбросов двуокиси углерода, как общего продукта сгорания очищенного попутного нефтяного и природного газов, а так же наиболее характерных, для коммунально-бытового и производственного секторов малых населённых пунктов видов топлив - мазута и каменного угля.

Рис. 10. Концентрация диоксида углерода при сжигании топлива: 1- природный газ; 2- попутный нефтяной газ; 3 - малосернистый мазут; 4- кузнецкий уголь.

Сравнение показывает, что концентрации диоксида углерода, формируемые выбросами очищенного попутного газа и природного газа, уже на расстоянии 200 м от точки рассеивания отличаются менее чем на 5% и в пределах 1% - на расстоянии более 300 м. Из этого следует, что по техногенному воздействию на окружающую среду продукты сгорания ГТНГ практически не отличаются от воздействия продуктов сгорания природного газа.

Таким образом, очистка попутного нефтяного газа на основе бишофитной технологии позволяет получить газ, идентичный природному газу по характеристикам техногенного воздействия, и, тем самым, может быть существенно расширена ресурсная база газификации коммунально-бытовых и производственных объектов малых городов и сельских населенных пунктов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проведенными в работе исследованиями определены эффективные режимно-технологические условия и аппаратурное оформление установок комплексной очистки попутного нефтяного газа в пенодинамическом слое жидкого бишофитно-го поглотителя, обеспечивающие его экологически безопасное использование в системах коммунально-бытового газоснабжения малых населенных пунктов.

Получены следующие основные результаты:

- теоретически обоснована и экспериментально подтверждена перспективность использования водного раствора природного бишофита в качестве эффективного поглотителя сероводорода и других кислых примесей попутных нефтяных газов, обеспечивающего их экологически безопасное использование в системах коммунально-бытового газоснабжения;

- на основе обобщения критериальных уравнений предложена математическая модель и дано описание процессов массо-н теплообмена в пенодинамическом слое водного раствора бишофита, формируемом в режиме вихревой инжекции;

- экспериментально подтверждена реализуемость предложенной математической модели процесса поглощения кислых и других балластных примесей попутных нефтяных газов в пенодинамическом слое водного раствора бишофита, формируемом в режиме вихревой инжекции;

- разработаны основы технологии реализации абсорбционных и разделительных процессов комплексной очистки попутных нефтяных газов в пенодинамическом слое водно-бишофитного поглотителя и определены оптимизированные условия его регенерации в зависимости от режимно-технологических параметров осуществления процесса очистки попутных нефтяных газов;

- проведена разработка аппаратурного исполнения унифицированного модульного скруббера с вихреинжекционным режимом формирования пенодинами-ческого слоя водно-бишофитного поглотителя, разработаны унифицированная структурно-компоновочная и технологическая схемы блочно-модульной установки

вихреинжекционных пенных скрубберов (ВИПС) для комплексной очистки попутных нефтяных газов в пенодинамическом слое водно-бишофитного поглотителя;

- определен принцип оптимизации управления процессом очистки попутного нефтяного газа в режиме его пенодинамического контакта с водно-бишофитным поглотителем по схеме частичного байпасирования;

- разработаны основы методики инженерного расчета блочно-модульных установок вихреинжекционных пенных скрубберов и энергоэффективного процесса очистки попутных нефтяных газов водным раствором бишофита, обеспечивающего их экологически безопасное использование в системах коммунально-бытового газоснабжения.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ:

Публикации в ведущих рецензируемых научно-технических журналах и изданиях, определенных ВАК России по направлению "Строительство "

1. Котов, A.B. Определяющие факторы сепарации дисперсной фазы в неоднородном закрученном потоке газа [Текст] / C.B. Беломутенко, С.И. Голубева, П.А. Лукин [и др.] // Вестник ВолгГАСУ, Сер. Строительство и архитектура. -2007. - Вып.7 (26).- С. 173-177

2. Котов, A.B. Оценка определяющих факторов эффективности очистки нылега-зовых выбросов в вихреинжекционных пенных скрубберах [Текст] / C.B. Беломутенко, С.И. Голубева, П.А. Лукин [и др.] // Вестник ВолгГАСУ. Сер. Строительство и архитектура.- Волгоград, 2007. - Вып. 8(27).- С. 113-117

Отраслевые издания и материалы конференций

3. Котов, A.B. Формализация задачи оптимизационного расчета сепарационных процессов [Текст] / A.B. Котов, В.Г. Диденко, C.B. Беломутенко // Качество внутреннего воздуха и окружающей среды: сб. матер, междунар. научн. конф./ Волгоград, гос. арх.-строит. ун-т. - Волгоград, 2008 - С. 312-315.

4. Котов, A.B. Оценка последствий техногенного воздействия продуктов сжигания топлива в теплогенерирующих установках ЖКХ [Текст] / A.B. Котов, В.Г. Диденко, C.B. Беломутенко // Качество внутреннего воздуха и окружающей среды: сб. матер, междунар. научн. конф./ Волгоград, гос. арх.-строит. ун-т. -Волгоград, 2008 - С. 30-34.

5. Котов, A.B. Особенности течения обеспыливаемого воздуха с капельной дисперсией в рабочем канале щелевого пылеуловителя [Текст] / C.B. Беломутенко, П.А. Лукин, С.И. Голубева [и др.] // Качество внутреннего воздуха и окружающей среды: сб. матер, междунар. науч. конф./ Волгоград, гос. арх.-строит. ун-т. -Волгоград, 2007.-С. 194-197

6. Котов, A.B. Номографический метод предварительных оценок эффективности режимов абсорбционной очистки газопылевых выбросов [Текст]/ A.B. Котов, C.B. Беломутенко, С.И. Голубева // Качество внутреннего воздуха и окружающей среды: сб. матер, междунар. науч. конф./ Волгоград, гос. арх.-строит. ун-т. - Волгоград, 2007,- С. 209-211

7. Котов, A.B. Способ предупреждения перетоков и загрязнения окружающей среды [Текст] / A.B. Котов, Г.А. Белоусов, И.В. Майгуров // Защита окружающей среды в нефтегазовом комплексе. - 2002. № 10 - С. 27-30

8. Котов, A.B. Охрана окружающей среды в ООО "Лукойл-Нижневолжскнефть" [Текст] / A.B. Котов, Б.И. Бочкарев // Защита окружающей среды в нефтегазовом комплексе. - 2002. № 10 - С. 5-6

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

hK - высота светлой жидкости, м; wr - скорость газа в сечении камеры, м/с; v r, v ж - соответственно коэффициент динамической вязкости газа и жидкости, м2/с; Н -высоты пены, м; S - диаметр камеры, м; рг,рж - плотность газа и жидкости, кг/м3, g - ускорение свободного падения, м/с2; к„. - коэффициент массопередачи, кг/м2 ч(ас = 1кг/м3); Сж.„., С.ж „.г. - соответственно начальная концентрация передаваемого компонента в жидкости и концентрация равновесной с начальной концентрацией его в газе, кг/м3; D*, Dr - соответственно коэффициенты диффузии передаваемого компонента в жидкости и газе, м2/с.

КОТОВ АЛЕКСЕЙ ВИКТОРОВИЧ

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ОБОРУДОВАНИЯ ОЧИСТКИ ПОПУТНЫХ НЕФТЯНЫХ ГАЗОВ ДЛЯ СИСТЕМ ГАЗОСНАБЖЕНИЯ КОММУНАЛЬНО-БЫТОВЫХ И СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ ОБЪЕКТОВ

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано в печать 20.11.2009 Формат 60x84/16 Бумага офсетная. Усл. печ. л. 1,0. Уч.-изд.л. 1,0 Тираж 100 экз Заказ № 132

РПК "Политехник" Волгоградский государственный технический университет 400133, Волгоград, ул. Советская, 35