Повышение энергетической эффективности переработки сероводородсодержащих газов с использованием сероводорода для выработки энергии и закачки сернистых соединений в пласт

ПЕРЕРАБОТКА

Повышение энергетической эффективности переработки сероводородсодержащих газов с использованием сероводорода для выработки энергии и закачки сернистых соединений в пласт

Т.Г. СЕМИКОЛЕНОВ, Н.Н. КИСЛЕНКО, В.А. ВЕДИН

ООО «ГАЗПРОМ РАЗВИТИЕ»

Р.Л. ШКЛЯР

ООО «ГАЗПРОМ ВНИИГАЗ»

Ф.Г. ЖАГФАРОВ

РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ НЕФТИ И ГАЗА ИМ. И.М. ГУБКИНА

В последние десятилетия наращивание добычи сероводородсодержащего углеводородного сырья и в России, и в мире сдерживается как экологическими, так и экономическими факторами. С одной стороны, ограничением является существующая высокая нагрузка на окружающую среду, а с другой - сложившаяся ситуация на рынке серы, когда на складах предприятий-про-изводителей скапливаются значительные нереализованные объемы серы. Судя по всем имеющимся прогнозам, в дальнейшем данная тенденция сохранится [1].

По этим причинам при наращивании добычи и переработки сероводородсодержащего газа компании, эксплуатирующие такого рода объекты, будут вынуждены использовать технологические решения, способствующие максимальному снижению выбросов сернистых соединений в окружающую среду, и при этом гибко регулировать объемы производства серы.

В настоящее время большое внимание уделяется разработке новейших способов утилизации сероводорода, альтернативных производству серы. Так, в Северной Америке довольно быстрыми темпами развивается технология утилизации кислых газов с закачкой их в подземные геологические формации. При закачке кислых газов практически исключаются выбросы сернистых

60 ГАЗОХИМИЯ

НАШ САЙТ В ИНТЕРНЕТЕ: WWW.GAZOHIMIYA.RU

ПЕРЕРАБОТКА Я

соединений в атмосферу и, соответственно, проблемы с хранением значительных объемов серы. Данная технология, применяющаяся при разработке месторождений Канады и США на протяжении 20 лет, уже признана весьма эффективной. Наиболее крупный объект по закачке кислых газов, эксплуатирующийся в Канаде, находится на месторождении Kwoen [2], а его мощность составляет около 350 млн м3/год кислых компонентов.

Однако при использовании технологии закачки кислых газов консервируется энергия, которая могла бы быть получена при сжигании сероводорода. Так, при производстве серы получают тепловую энергию, которая используется в основном для регенерации абсорбентов установок сероочистки газа.

Одним из способов утилизации сероводорода является его использование в качестве источника энергии. Сероводород имеет теплотворную способность, примерно в 1, 5 раза уступающую теплотворной способности метана, поэтому рассмотрение вопроса его использования для выработки энергии является целесообразным.

Специалистами ООО «Газпром развитие» и ООО «Газпром ВНИИГАЗ» проведено исследование, целью которого являлось определение возможных путей использования сероводорода для выработки дополнительной энергии.

Анализ способов получения дополнительной энергии за счет сероводорода показал, что имеется два основных пути утилизации этого агрессивного компонента:

Рис. 1

Фазовая диаграмма:

а) кислого газа с содержанием H2S - 60 %

• разложение H2S с получением водорода и серы с использованием первого в качестве топлива;

• сжигание H2S с получением диоксида серы и его утилизацией.

Недостатками первого способа [3-6] является необходимость сооружения установок доочистки водорода от неразложившегося сероводорода, частиц серы и прочих примесей, содержащихся в исходном кислом газе. Кроме того, в настоящее время водородная энергетика находится на начальной стадии развития, и поэтому существующее оборудование, позволяющее использовать водород в качестве топлива, имеет довольно низкую электроэнергетическую мощность.

Более реалистичным путем получения дополнительной энергии из сероводорода является его сжигание и получение энергии за счет утилизации тепла продуктов сгорания. При сжигании всего сероводорода до SO2 выделяется в 1,6 раза больше тепловой энергии, чем при неполном сжигании сероводорода (процесс Клауса).

Наиболее перспективным путем утилизации SО2 видится его закачка в подземные пласты. Такой способ утилизации сероводорода с выработкой энергии рассмотрен в одном из патентов США [7]. Процесс подготовки SO2 к закачке аналогичен процессу подготовки кислых газов, заключающемуся в компримировании газового потока с его переводом в однофазное жидкое состояние и дальнейшей закачкой в пласт. При этом следует отметить, что для перевода сернистого ангидрида в жидкое однофазное состояние потребуются значительно меньшие затраты энергии, чем для компримирования потока кислого газа. На рис. 1 пред-

ставлены фазовые диаграммы потоков кислого газа (состава H2S/CO2 60 % к 40 % мольн.) и диоксида серы SO2, из которых следует, что для перевода сернистого ангидрида в жидкое состояние при температуре 50 °С потребуется давление 0,9 МПа против 8,6 МПа для случая кислого газа рассматриваемого состава.

Одним из важных факторов, определяющих общую эффективность путей получения энергии со сжиганием H2S, является выбор способа извлечения диоксида серы из дымовых газов. Способ очистки дымовых газов от SO2 водой характеризуется высоким расходом воды (1 м3 воды на 36 г SO2), а также высокой коррозионной активностью сернистой кислоты. В настоящее время за рубежом довольно широко используются два процесса абсорбционной очистки относительно концентрированных газов для извлечения двуокиси серы: Labsorb (лицензиар Belco Technologies Corp, США) и Cansolv (Cansolv Technologies Inc., Канада) [8].

В результате проведенных исследований предложена схема утилизации сероводорода со сжиганием H2S, содержащегося в технологических газах установки производства серы после первой каталитической ступени, выработкой пара и электроэнергии с последующим извлечением сернистого ангидрида физико-химическим способом, сжижением извлеченного SO2 и его закачкой в пласт (рис. 2).

При сжигании сероводорода, содержащегося в технологическом газе процесса Клауса после первой каталитической ступени, вырабатывается пар высокого давления, энергия которого используется для выработки

мольн., СО2 - 40 % мольн., б) сернистого ангидрида

-80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80

Температура, °С

80 СО ю 70 X 60 ш 50 40 30 Т 20 кип Тросы 10 Крит. Тчк.

0 —” -40 -20 0 20 40 60 80 100 120 140 160

Температура, °С

ГАЗОХИМИЯ 61

Я ПЕРЕРАБОТКА

Рис. 2

Блок-схема утилизации сероводорода с выработкой энергии, извлечением SO2 и его закачкой в геологические формации

электроэнергии на конденсационной паровой турбине с промежуточным отбором пара. Промежуточный отбор пара предусмотрен для получения «мятого» пара 0,5 МПа, использующегося для регенерации аминовых растворов установок очистки газа (на схеме не указаны).

Полученные при сжигании кислого газа в печи дожига технологические газы поступают на установку извлечения образовавшегося диоксида серы. Для абсорбции SO2 из дымовых газов применяется физико-химический способ очистки газов раствором диаминов. Извлеченный диоксид серы направляется на узел подготовки к закачке в пласт, где подвергается осушке и компримированию с использованием двухступенчатой системы компрессоров с межступенчатыми аппаратами воздушного охлаждения и сепараторами.

Следует отметить, что в случае если концентрация H2S в кислом газе составляет около 60 % мольн. и выше, существует возможность рециркуляции извлеченного из дымовых газов SO2 на термическую ступень процесса Клауса. Такое решение позволяет сни-

зить риски, связанные с процессом отработки технологии закачки SO2 в пласт, а также создает вариантность регулирования объемов производства серы в зависимости от рыночной конъюнктуры за счет возможности направления диоксида серы на производство серы или на закачку в пласт.

Для определения эффективности разработанной схемы было проведено сравнение ее показателей с базовым вариантом, в качестве которого принята схема по технологии с повышенной степенью извлечения серы: прямой процесс Клауса, включающий термическую и две каталитические стадии, с использованием восстановительно-абсорбционного метода для доочистки хвостовых газов. Сравнение выполнено на примере сырья Астраханского ГКМ.

В качестве исходного сырья принят кислый газ, состав которого представлен в табл. 1. Для закачки сжиженного сернистого ангидрида принятые горизонты характеризуются следующими пластовыми условиями: давление - 62,4 МПа, температура -плюс 110 °С. Производительность установки по утилизации сероводоро-

да, принятая для расчетов при сравнении вариантов, составляет 758 млн м3/год по сырьевому кислому газу, что соответствует возможности получения около 600 тыс. т серы в год по базовому варианту.

Базовый вариант

Узел доочистки отходящих газов, принятый в базовом варианте, включает следующие стадии (рис. 3):

- гидрирование сернистых соединений, содержащихся в отходящих газах процесса Клауса;

- охлаждение газов гидрирования с конденсацией водяных паров;

- абсорбция сероводорода селективным амином.

Общая степень извлечения серы составляет 99,8 %.

Данные расходов теплоэнергетических ресурсов и воды в технологических установках и других узлах по рассматриваемому варианту представлены в табл. 2.

Из таблицы видно, что на установке вырабатывается 109 т/ч пара (0,5 МПа, 151 °С), который направляется на установки очистки газа от кислых компонентов.

Табл. 1 Табл. 2

Компонентный состав кислого газа Годовые расходы ТЭР по технологическим установкам*

Компонентный состав, % мол.

сумма в том числе

сумма '

/ кислых ---------------

у в компонентов H2S CO2 H2O

0,39 99,61 61,66 29,39 8,56

Установка (блок) Потребление (-)/ выработка (+)ТЭР

топливный тыс. м3/год газ, электроэнергия, млн кВт-ч пар, тыс. т. (0,5 МПа,151 °С) вода, тыс. т

Производство серы с узлом доочистки хвостовых газов по технологии SCOT - 55 680 -23,5 + 1309,6 -52,46

ИТОГО -55 680 -23,5 + 1309,6 -52,46

62 ГАЗОХИМИЯ

НАШ САЙТ В ИНТЕРНЕТЕ: WWW.GAZOHIMIYA.RU

ПЕРЕРАБОТКА Я

Рис. 3

Принципиальная схема процесса Клауса с доочисткой хвостовых газов по технологии SCOT

Годовые расходы ТЭР по технологическим установкам для варианта последующей закачкой в пласт в год

утилизации сероводорода с выработкой энергии и закачкой SО2 в пласт вырабатывается 1344 тыс т пара

(0,5 МПа,151 °С) и 104,8 млн кВт-ч

Потребление (-)/ выработка (+)ТЭР

Установка (блок) топливный газ, электроэнергия, пар, тыс. т вода,

тыс. м3/год млн кВт-ч (0,5 МПа,151 °С) тыс. т

Производство серы и печь дожига - 43 099 -14,2 +1549,6 - 76,8

Извлечение SO2 из дымовых газов - -15,2 -840 -25,2

Компримирование и закачка SO2 - - 6,8 - -

Электростанция ПТУ ТЭЦ - + 141,0 +633,4 -

ИТОГО -43 099 + 104,8 +1 344 -102,0

Табл. 4

электроэнергии.

Капитальные вложения в основные технологические объекты комплекса установок по утилизации сероводорода с выработкой энергии и закачкой полученного при сжигании сероводорода (кислого газа) диоксида серы в геологические формации для условий Астраханского ГКМ на рассмотренный объем утилизации кислого газа (эквивалентный производству 600 тыс. т серы в год) оцениваются примерно в 6 млрд рублей.

Годовые объемы производства серы и выработки энергии для пара и по вариантам утилизации сероводорода

Наименование Базовый вариант Разработанный вариант

Сырье: кислый газ, млн м3 758 758

Продукция

Пар (0,5 МПа, 151 °С), Гкал 660038 677376

Электроэнергия, млн кВт-ч - 104,8

Сера, тыс. т 600 510

Капитальные вложения в основные технологические объекты комплекса установок по утилизации сероводорода по базовому варианту для условий Астраханского ГКМ на рассмотренный объем утилизации кислого газа (эквивалентный производству 600 тыс. т серы в год) оцениваются примерно в 8,9 млрд рублей.

Предлагаемый вариант

Данные расходов теплоэнергетических ресурсов и воды в технологических установках и других узлах по разработанному варианту с утилизацией диоксида серы представлены в табл. 3.

Из таблицы видно, что при сжигании сероводорода с извлечением диокси-

Сравнительная оценка вариантов. Выводы

Годовые объемы производства продукции по предлагаемому варианту представлены в табл. 4.

Проведенный сравнительный анализ вариантов показывает, что как более высокими показателями энергетической эффективности, так и меньшими объемами требуемых инвестиций характеризуется вариант использования предлагаемой схемы с утилизацией сероводорода с выработкой энергии и закачкой S02 в пласт.

Кроме того, на основании полученных данных была выполнена оценка экономической эффективности вариантов.

Расчеты проведены, исходя из условия отсутствия потребления серы по

ГАЗОХИМИЯ 63

ПЕРЕРАБОТКА

Показатели экономической эффективности по вариантам

Наименование Показатель, млн руб.

базовый разработанная схема

Чистый доход -38 081,0 -10 047,0

Чистый дисконтированный доход -12 679,5 -4 711,7

Экономический эффект (по сравнению с базовым вариантом) - 7967,8

Табл. 5

рассматриваемым вариантам, соответственно учтены инвестиции в строительство складов длительного хранения, а также расходы на хранение данного продукта в течение расчетного периода. Для оценки рассматривались схемы, где сырьем является кислый газ, а продукцией -сера, пар и электроэнергия. Поэтому в связи с тем, что для таких условий показатель NPV для всех вариантов принимает отрицательные значения, а IRR ниже принятой в расчетах нормы дисконта, критерием сравнения принят показатель чистого дисконтированного дохода.

Результаты расчета показателей экономической эфективности представлены в табл. 5.

Из данных табл. 5 видно, что при использовании варианта утилизации сероводорода с выработкой энергии и закачкой S02 в пласт может быть получен дополнительный экономический эффект в размере около 8 млрд руб. в сравнении с базовым вариантом реконструкции установок производства серы Астраханского ГПЗ с повышением степени извлечения серы до 99,8 %.

Следует отметить, что хотя оба рассмотренных варианта и характеризуются отрицательными показателями экономической эффективности, процессы утилизации сероводорода являются неотъемлемой частью переработки сероводородсодержащего углеводородного сырья и обусловле-

ПРОЦЕССЫ УТИЛИЗАЦИИ СЕРОВОДОРОДА ЯВЛЯЮТСЯ НЕОТЪЕМЛЕМОЙ ЧАСТЬЮ ПЕРЕРАБОТКИ СЕРОВОДОРОДСОДЕРЖАЩЕГО УГЛЕВОДОРОДНОГО СЫРЬЯ И ОБУСЛОВЛЕНЫ НЕОБХОДИМОСТЬЮ СНИЖЕНИЯ НЕГАТИВНОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ОКРУЖАЮЩУЮ СРЕДУ.

ны необходимостью снижения негативного воздействия на окружающую среду, а оптимизация процессов утилизации сероводорода будет повышать общие экономические показатели комплексной переработки сероводородсодержащего углеводородного сырья.

Таким образом, на основании проведенных исследований по выбору целесообразной схемы утилизации сероводорода с повышением энергетической эффективности можно сделать следующие выводы.

Разработанная схема утилизации сероводорода с выработкой дополнительной энергии за счет сжигания H2S показывает принципиальную возможность снижения объемов производства серы и выбросов сернистых соединений в атмосферу с одновременным увеличением энергоэффективности производства.

Применение технологии утилизации сероводорода с его сжиганием, выработкой энергии (пара и электроэнергии), извлечением SO2 и его закачкой в геологические формации характеризуется более привлекательными показателями экономической эффективности за счет более рационального использования энергетического потенциала сероводорода.

Проведение в жизнь разработанных решений при наращивании добычи газа позволит Астраханскому ГКМ повысить добычу сырья на месторождении без риска увеличения экологической нагрузки в регионе.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Sulphur 10 Year Outlook 2009 Update 2, CRU International Ltd., December 2009.

2. N. Palla, A. Jamal, D. Leppin. Duke energy installs first Morphysorb unit at Kwoen gas plant. Oil and Gas Journal, July 12, 2004.

3. Chivers, T. and Lau, C., The use of thermal column reactors for

the production of hydrogen and sulfur from the thermal decomposition of hydrogen sulfide over transition metal sulfides. Int. J. Hydrogen Energy, 1987, 12(8), 561-569.

4. D. Edlund, A Membrane Reactor for H2S Decomposition, sponsored U.S. Department of Energy’s organtown Energy Technology Center, under Contract DE-FG03-92ER81419, with Venkat K. Venkataraman.

5. Edlund, D.J., and W.A. Pledger, “Thermolysis of Hydrogen Sulfide in a Metal-Membrane Reactor,” J. Membrane Sci., 77(1993)255.

6. John B.L. Harkness, Anthony j. Gorski, Edward J. Daniels, US Patent 5 211 923, 01.08.1991, University of Chicago.

7. Peter D. Clark, David K. Stivens, US Patent 7 282 193 B2, Oct. 16.2007, Method for energy recovery from hydrogen sulfide.

8. P. Clark, P. Davis, SO2 injection: An Energy - Efficient Strategy for Dealing with H2S in Sour Gas Production, Alberta Sulphur Research Ltd., University of Calgary.

9. R.W. Birnbaum, Cansolv SO2 Scrubbing in Refinery Applications, Cansolv Technologies Inc., Montreal, QC, Canada.

64 ГАЗОХИМИЯ