ОСНОВЫ РЕСУРСО-ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ ТЕХНОЛОГИЙ УГЛЕВОДОРОДНОГО СЫРЬЯ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

А.Т. Росляк

ОСНОВЫ РЕСУРСО-ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ ТЕХНОЛОГИЙ УГЛЕВОДОРОДНОГО СЫРЬЯ

Курс лекций

 

 

Томск 2008

 

Лекция 1

ВВЕДЕНИЕ

Важной задачей, стоящей перед мировым сообществом, является формирование устойчивой общественно приемлемой энергетики с высокой энергетической, экологической и экономической эффективностью.

Мир с начала 70-х годов прошлого столетия живет в обстановке периодически возникающих энергетических кризисов. Поэтому в центре внимания промышленно развитых стран находились, находятся и будут находиться проблемы обеспечения национальной энергетической безопасности, связанные с надежным ресурсо- энергообеспечением.

Ключевую роль в предотвращении экологической катастрофы играет энергосбережение. Проблема разумного использования энергии является одной из наиболее острых проблем человечества. Современная экономика основана на использовании энергетических ресурсов, запасы которых истощаются и не возобновляются. Но это даже не главное. Современные способы производства энергии наносят непоправимый ущерб природе и человеку. Медики считают, что здоровье людей на 20% зависит от состояния окружающей среды.

Загрязнение атмосферы при использовании невозобновляемых источников энергии ведет к всеобщему потеплению, таянию полярных льдов и повышению уровня мирового океана в течение последующих веков. Мы не знаем, когда именно скажутся эти изменения, но комиссия ООН по климату утверждает, что всеобщее потепление уже началось. Необходимо что-то делать уже сейчас для предотвращения экологической катастрофы.

Эффективное использование энергии — ключ к успешному решению экологической проблемы!

Самый простой способ уменьшить загрязнение окружающей среды – беречь энергию, или, другими словами, расходовать энергию более разумно. Кроме того, энергосбережение выгодно экономически. Мероприятия по экономии энергоресурсов в 2,5 – 3 раза дешевле, чем производство и доставка потребителям такого же количества вновь полученной энергии.

Основы ресурсо- и энергосберегающих технологий углеводородного сырья – это дисциплина, изучающая комплексное и рациональное использование углеводородного сырья и запасенной в нем энергии.

Усилия ученых, инженеров, конструкторов, технологов, работающих в областях топливно-энергетического комплекса (ТЭК) всегда были направлены на создание ресурсо-энергосберегающих технологий и оборудования. В результате проделанной за последние годы работы был накоплен значительный практический опыт в деле разработки и применения энерго- экологоэффективных техники и технологий.

В вузах появились специальные программы и дисциплины, которые с разной степенью глубины и детализации освещают теорию и практику комплексного, эффективного и природозащитного использования топлива, энергии и углеводородного сырья. Эти дисциплины стали базовыми для подготовки и переподготовки квалифицированных кадров для отраслей ТЭК.

Настоящий курс лекций разработан в соответствии с государственным образовательным стандартом по дисциплине «Основы ресурсо- и энергосберегающих технологий углеводородного сырья» для студентов факультета магистерской подготовки направления «Нефтегазовое дело».

Цель курса – ознакомить слушателей с фундаментальными физическими, техническими и технологическими основами энергосбережения, рационального использования углеводородного сырья на всех этапах: от добычи до применения; определить перспективные пути развития ресурсо- и энергосберегающих технологий.

Данная дисциплина органически связана с курсами магистерской полготовки:

- «Современные проблемы нефтегазовой науки, техники и технологии»;

- «Мировая экономика нефтегазовых ресурсов».

В основе развития ресурсосберегающих технологий углеводородного сырья лежат знания, полученные при изучении курсов «Разработка нефтяных и газовых месторождений», «Технология и техника методов повышения нефтеотдачи».

1. СОСТОЯНИЕ ТОПЛИВНО-ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА

В РОССИИ И МИРЕ

Топливно-энергетический комплекс РФ

К настоящему времени разведанность европейских районов России и Западной Сибири достигает 65 – 70% по нефти и 40 – 45% по газу, в то время как…   Имеющиеся оценки позволяют утверждать, что объем неразведанных ресурсов нефти и газа России превосходит неразведанные…

Производство и переработка природного углеводородного сырья в РФ

Рис. 1.1 Схема переработки нефти в нефтепродукты

 

Структура мирового производства энергоресурсов

Более 80% энергетических ресурсов приходится на природные ископаемые, в том числе углеводородные. Поскольку более 90% нефти и газа используются как… Еще 40 лет назад человечество потребляло только половину той энергии, которую… К сожалению, распределение энергии между странами Севера и Юга, между богатыми и бедными очень неравномерно. На одной…

Мировое производство энергии

 

Прогнозы мировой добычи нефти

Прогнозы мировой добычи нефти зависят от множества факторов, часть из которых взаимосвязана и взаимозависима.

Перечислим некоторые из них:

1. Величина и качество установленных и дополнительно предполагаемых запасов нефти; в частности: запасов нефтей сверхтяжелых, находящихся в арктических зонах, в фундаменте и т. п.

2. Улучшение техники и технологии разведки, бурения, добычи нефти, разработки нефтяных месторождений, переработки нефти и ее транспорта.

3. Изменения цен на нефть, другие энергоносители и на создание более совершенной инфраструктуры.

4. Состояния общей экономики.

5. Изменения потребления и спроса на нефть.

Развитие политики энергосбережения.

Замена нефти на газ, уголь, жидкие продукты переработки угля при энергетическом и технологическом использовании.

Использование таких альтернативных видов энергии, как атомная, термоядерная, помимо широко известных более простых.

Для обоснования взаимосвязи и взаимозависимости многих из перечисленных факторов можно привести хотя бы такие примеры: с ростом цен на нефть становится более рентабельной разработка месторождений со сверхтяжелыми нефтями (запасы которых очень велики), внедрение новейших методов увеличения нефтеизвлечения, замена нефти на жидкие продукты из угля.

Улучшение способов переработки нефти, обеспечивающих более высокий уровень выхода светлых продуктов, снижает потребности в высоких уровнях нефтедобычи; на это же влияют и результаты развития политики энергоснабжения и т. п.

Среди перечисленных в данном подпункте факторов, необходимых для прогнозирования нефтедобычи, было упомянуто развитие энергосбережения. В следующем подпункте приведем один из конкретных примеров развития политики энергосбережения, очень четко демонстрирующий результативность такой политики.

 

Пример результативности развития политики энергосбережения

Приведем очень яркий пример результативности политики энергосбережения.

Результаты этой политики, проводившейся в США в течение 40 лет – с 1960 по 2000 гг. – отражены в таблице 1.3. В таблице сопоставлены темпы роста валового внутреннего продукта в долларовом эквиваленте с темпами роста в США потребления как всей энергии, так и потребления только нефтяной энергии по годам.

В табл. 1.3 приняты такие обозначения: GDP – величина валового внутреннего продукта (Гросс Доместик Продакт) в долларовом исчислении (по курсу доллара в 1992 г.); BTU – Бритиш Термал Юнит. Табл. 1.3 воспроизводит в сокращенной форме (т. е. используются данные не за все годы и не приводятся данные об использовании газа) таблицу, помещенную в журнале [Oil & Gas J. January 31, 2000. - № 5. - Vol. 98. - P. 54.].

Анализируя таблицу, сразу обнаруживаем, что с годами интенсивно возрастала величина внутренней валовой продукции в долларовом исчислении – см. столбец 2. Естественно, что возрастало потребление энергии всей и нефтяной – см. столбцы 3 и 5. Но, что особенно важно, непрерывно убывало потребление энергии всей и нефтяной на единицу производимого валового продукта – см. столбцы 4 и 6.

Таблица 1.3

Сопоставление темпов роста по годам валовой продукции в долларовом эквиваленте с темпами роста потребляемой в США всей энергии и энергии нефтяной

 

Действительно, при росте с 1960 по 2000 гг. величины GDP (см. столбец 2) в 3,56 раза, величина потребления всей энергии (см. столбец 3) выросла только в 2,09 раза, а величина потребления нефтяной энергии (см. столбец 5) выросла только в 1,60 раза.

Соответственно, за тот же срок потребление на единицу GDP всей энергии уменьшилось в 1,70 раза, а нефтяной энергии – в 1,85 раза.

Следует, конечно, ожидать, что столь важный процесс энергосбережения должен будет охватывать (в той или иной степени и в те или иные сроки) все большее количество стран. При прогнозировании мировой нефтедобычи с этим надо считаться, о чем упоминалось в предыдущем параграфе.

 

Законодательство РФ об энергосбережении

Федеральный закон «Об энергосбережении» регулирует отношения, возникающие в процессе деятельности в области энергосбережения, в целях создания… В Федеральном законе используются следующие понятия: энергосбережение – реализация правовых, организационных, научных, производственных, технических и экономических мер,…

ЭНЕРГИЯ И ОСНОВНЫЕ НАЧАЛА ТЕРМОДИНАМИКИ

Энергия, мощность

Вселенная возникла около 20 миллиардов лет назад. В этот момент вся энергия и масса были спрессованы в ничтожно малом объеме, можно сказать, в одной… Так что же такое энергия? Этот вопрос так же легко задать, как трудно на него… Мы описываем предметы и окружающую обстановку, используя такие физические понятия и величины, как цвет, вес,…

Первое начало термодинамики

Плотина гидроэлектростанции перегородила реку, образовалось водохранилище.… Этот пример показывает, что энергия может превращаться из одной формы в другую. При этом, если учесть все потери,…

Второе начало термодинамики

Этот упрощенный пример демонстрирует другое свойство энергии: каждый раз, когда энергия переходит из одной формы в другую, только часть энергии… Тепловые машины превращают тепловую энергию в удобную для потребления энергию,… Большинство тепловых электростанций превращают в электроэнергию не более 40% энергии, получаемой при сгорании нефти,…

Энтропия адиабатически изолированной (нет подвода или отвода тепла) системы при необратимых процессах может только возрастать.

Коэффициент полезного действия (КПД)

Коэффициент полезного действия (КПД) – характеристика эффективности системы (устройства, машины) в отношении преобразования или передачи энергии; определяется отношением полезно использованной энергии к суммарному количеству энергии, полученному системой; обозначается обычно.

В электрических двигателях КПД – отношение совершаемой (полезной) механической работы к электрической энергии, получаемой от источника.

В тепловых двигателях – отношение полезной механической работы к затрачиваемому количеству теплоты.

В электрических трансформаторах – отношение электромагнитной энергии, получаемой во вторичной обмотке, к энергии, потребляемой первичной обмоткой.

Для вычисления КПД разные виды энергии и механическая работа выражаются в одинаковых единицах на основе механического эквивалента теплоты, и других аналогичных соотношений. В силу своей общности понятие КПД позволяет сравнивать и оценивать с единой точки зрения такие различные системы, как атомные реакторы, электрические генераторы и двигатели, теплоэнергетические установки, полупроводниковые приборы, биологические объекты и т. д.

Из-за неизбежных потерь энергии на трение, на нагревание окружающих тел и т. п. КПД всегда меньше единицы. Соответственно этому КПД выражается в долях затрачиваемой энергии, то есть в виде правильной дроби или в процентах, и является безразмерной величиной. КПД тепловых электростанций достигает 35-40%, двигателей внутреннего сгорания с наддувом и предварительным охлаждением – 40 – 50% , динамомашин и генераторовбольшой мощности — 95%, трансформаторов — 98%. КПД процесса фотосинтеза составляет обычно 6-8%, у хлореллы он достигает 20 – 25%. У тепловых двигателей в силу второго начала термодинамики КПД имеет верхний предел, определяемый особенностями термодинамического цикла (кругового процесса), который совершает рабочее вещество. Наибольшим КПД обладает цикл Карно.

Различают КПД отдельного элемента (ступени) машины или устройства и КПД, характеризующий всю цепь преобразований энергии в системе. КПД первого типа в соответствии с характером преобразования энергии может быть механическим, термическим и т. д. Ко второму типу относятся общий, экономический, технический и другие виды КПД. Общий КПД системы равен произведению частных КПД, или КПД ступеней.

В технической литературе КПД иногда определяют т. о., что он может оказаться больше единицы. Подобная ситуация возникает, если определять КПД отношением Wпол/Wзатр, где Wпол — используемая энергия, получаемая на «выходе» системы, Wзатр – не вся энергия, поступающая в систему, а лишь та её часть, для получения которой производятся реальные затраты. Например, при работе полупроводниковых термоэлектрических обогревателей (тепловых насосов) затрата электроэнергии меньше количества теплоты, выделяемой термоэлементом. Избыток энергии черпается из окружающей среды. При этом, хотя истинный КПД установки меньше единицы, рассмотренный КПД h=Wпол/Wзатр может оказаться больше единицы.

 

Цикл Карно

Идеальный газ находится в цилиндре, закрытом поршнем. На первом этапе металлическая стенка цилиндра приводится в контакт с нагревателем. Поршню… На втором этапе цилиндр изолируется от нагревателя, и газ продолжает адиабатически расширяться, производя работу A2…

ЭНЕРГИЯ И РАЗРАБОТКА НЕФТЯНЫХ И ГАЗОВЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ

Режимом работы залежи называется проявление преобладающего вида пластовой энергии в процессе разработки.

Работа, применительно к нефтедобыче, представляется как разность энергий или освободившаяся энергия, необходимая для перемещения нефти в пласте и… Потенциальная энергия положения , (2. 2)

ЭНЕРГОПОТРЕБЛЕНИЕ

Источники энергии

Источники энергии бывают возобновляемые и невозобновляемые. Пирамида источников энергии представлена на рисунке 4.1.

Рис. 4.1

Возобновляемые источники энергии

Эта огромная энергия, поступающая на Землю, тем не менее не ведет к всеобщему потеплению, потому что после того, как она прошла через природные… В течении миллионов лет природа приспособилась к этим огромным потокам энергии… Когда мы используем возобновляемые источники энергии, мы делаем это двумя путями. Можно использовать солнечную энергию…

Невозобновляемые источники энергии

Но как только люди стали использовать невозобновляемые источники, количество запасенной в них энергии стало необратимо уменьшаться (рис. 4.4).… Рис. 4.4. Энергетический баланс невозобновляемых источников

История энергопотребления

Первый пример: как люди и товары пересекали океаны раньше и сейчас. Сначала человек скромно использовал свою мышечную энергию, передвигаясь по воде… Возьмем другой пример: производство пищи. Задача сельскохозяйственного… Много лет прошло с тех пор, как Европа перестала использовать в сельском хозяйстве ручные орудия труда. Но их все еще…

Энергопотребление в различных обществах

В 1784 г. Джеймс Уатт, владелец мастерской по изготовлению и ремонту точных приборов, получил патент на первую универсальную паровую машину. С этих… В современном технически развитом обществе производство и использование…  

Последствия энергопотребления

Чтобы понять, почему использование невозобновляемых энергоисточников наносит такой вред окружающей среде, рассмотрим более подробно синтез и… В клетках растений, содержащих хлорофилл, солнечные лучи вызывают процесс…

Энергетические кризисы

Во избежание подобной ситуации, огромные денежные средства расходуются на поиск новых нефтяных месторождений, на строительство новых атомных… До сих пор очень мало средств вкладывается в эффективное энергопотребление и в… Пока индустриально развитые страны только стоят перед угрозой энергетического кризиса, который может произойти в…

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ЗАКОНЫ ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЯ

Классификация топливно-энергетических ресурсов

Современные виды топливо-энергетических ресурсов подразделяют на следующие категории.

По агрегатному состоянию:

• Газообразные топлива – природный газ (бытовой, сжатый, сжиженный),

сжиженная пропан-бутановая смесь, водород;

• Жидкие – автомобильные и авиационные бензины, авиационный и осветительный керосины, дизельные топлива (летние и зимние), печные и котельные топлива;

• Твердые – уголь (каменный, бурый), сланцы, торф, древесина и другое растительное сырье.

По составу:

• Органические топлива;

• Неорганические топлива.

По происхождению:

• Естественные (ископаемые, природные) – газ, нефть, уголь;

• Искусственные – кокс (коксованием углей), искусственное жидкое топливо (ожижением или гидрогенизацией углей), биогаз – продукт газификации органических бытовых отходов;

• Синтетические – полученные в результате химических реакций Фишера -Тропша или Кельбеля-Энгельгарда синтетические углеводороды (газообразные, жидкие, твердые), различные неуглеводородные топлива – ракетные топлива (несимметричный диметилгидразин), ядерные топлива (плутоний).

По возобновлению:

• Возобновляемое топливо – гидроэнергия, геотермальная энергия, ветровая и солнечная энергия, древесина и другое растительное сырье;

• Невозобновляемое топливо это синоним ископаемого топлива.

По назначению:

• Энергетическое топливо – используют для получения тепловой и
электрической энергии; т.е. первоначально из топлива получают энергию в виде тепла, перегретого водяного пара, электроэнергии, энергетического топлива. Пример: газ или мазут на ТЭС;

• Технологическое топливо (как сырье) – используется непосредственно в
производстве и технологических процессах, установках, реакторах,
агрегатах без стадии предварительно получения из топлива необходимой
энергии. Пример технологического топлива: уголь в процессе коксования
для получения кокса.

По отношению к топливу:

• Топливные энергоресурсы (газ, нефть, газовый конденсат, уголь и др.);

• Не топливные энергоресурсы (гидроэнергия, энергия ветра, солнечная
энергия).

Атомную энергию относят одновременно к топливному и не топливному энергетическому ресурсу.

По степени вовлечения в технологию:

• Первичные энергетические ресурсы – однократное использование
энергетического потенциала конкретного вида энергии или топлива;

• Вторичные энергетические ресурсы (ВЭР) – многократное использование
энергетического потенциала конкретного вида энергии или топлива (тепло
дымовых газов, сырьевых и продуктовых технологических потоков).

По виду энергии вторичные энергетические ресурсы (ВЭР) разделяют на:

• Топливные ВЭР – побочные горючие газы, жидкие и твердые продукты,
образующиеся при подготовке, транспортировке и переработке
углеводородного или другого органического топлива (газы процессов
промысловой подготовки природных углеводородов, коксовый газ,
водородсодержащий газ пиролиза углеводородов, доменные и конверторные
газы, отходы лесохимической промышленности);

• Тепловые ВЭР – тепло отходящих газов, отработанных теплоносителей
(вода, водяной пар);

• ВЭР давления – потенциальная энергия газовых и жидкостных потоков с
давлением, превышающем атмосферное.

Технологические характеристики топлива

Теплотворная способность топлива (теплота сгорания) Q – это количество тепла, выделяемое при полном сгорании 1 кг топлива. Для газа часто теплотворную способность рассчитывают на 1 м³.

В табл. 5.1 приведены усредненные значения теплотворной способности некоторых видов ископаемых топлив.

Таблица 5.1

Теплотворная способность различных видов топлива

Кроме вышеназванных характеристик топлива в теплотехнических расчетах используют следующие понятия: высшая (Qs) и низшая (Qн) теплоты сгорания…

Термодинамические расчеты в энергосбережении

Например, реакцию сжигания углеводородного топлива общей формулы СпНm в кислороде (О2) до углекислого газа (СО2) и воды (Н2О) в химической… (5.1) где – стехиометрические коэффициенты.

Законы Г.И. Гесса

В соответствии с законами Гесса, теплота любой химической реакции (∆Н) равна сумме теплот образования конечных продуктов за минусом суммы… (5.2) Для сопоставления протекания различных реакций используют стандартные значения теплоты образования соединений.…

Теплоемкость при постоянном давлении

(5.6) Очевидно, что изменение теплоемкости ΔСР также можно представить в виде… (5.7)

Уравнение теплового баланса в общем виде

  Теплоэнергетическая установка – это своеобразный проточный химический реактор, в котором протекает реакция горения…

Диаграммы энергетического и материального потоков

В силу закона сохранения энергии полосы на диаграмме Сенке не могут менять свою ширину. Но они могут разделяться и сливаться. Такие диаграммы служат… На рис. 5.1 приведена диаграмма Сенке, отражающая в определенном масштабе…

Энергетический (тепловой) КПД

Определим тепловой КПД печи () в %, как отношение суммы полезно использованных энергий (∑Q_ПИЭ), к сумме полных энергетических затрат (∑Q_ПЭЗ). Тогда получим:

 

(5.12)

Применительно к рассматриваемой печи имеем

 

(5.13)

Из рис. 5.1 видно, что КПД печи существенно меньше 100%.

 

Тепловой баланс печи в неизотермическом режиме идеального перемешивания

При составлении балансовых уравнений в качестве элементарного объема берут элементарный объем топки, работающий в режиме полного перемешивания.… (5.14) где –- объемная скорость топливно-воздушной смеси на входе в топку, м3/ч;

Поточная диаграмма Сенке материального баланса по воде для теплоэлектростанции

В уравнении материального баланса (по воде) учитываются все потоки воды на входе в ТЭС и на выходе из нее. В приведенной на рис. 5.2 схеме для… Рис. 5.2 Поточная диаграмма Сенке для материального баланса ГЭС по воде

Эксэргия

Реально протекающие процессы необратимы. При совершении процесса качество эксергии понижается. Например, отработанный пар характеризуется более… Детальное рассмотрение эксергии и ее приложений для термодинамического анализа… Лекция 6

ТЕХНИКА И ЭФФЕКТИВНОСТЬ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ТОПЛИВА

Техника сжигания топлива

Сжигание топлив производится с помощью специальных устройств, называемых горелками, обеспечивающих максимально полное (количественное) сгорание углеводородного топлива до СО₂ и Н₂О в условиях минимального избытка воздуха при минимальном образовании токсичных продуктов сгорания. Имеется множество различных горелок для сжигания газообразного, жидкого и твердого топлива.

Газовые горелки

1) способу подачи воздуха на горение; 2) давлению газа и воздуха; 3) теплоте сгорания топлива;

Инжекционная горелка и принцип ее работы

Принципиальная схема инжекционной горелки приведена на рис. 6.1. Рис. 6.1 Схема инжекционной горелки

Методы сжигания топлива

• наличию или отсутствию факела – факельные (инжекционные горелки) и не факельные (каталитические, беспламенные горелки); • сжиганию одного или нескольких различных топлив одновременно – монотопливные… • температуре топлива и воздуха – холодные или с подогревом или топлива или воздуха или топливно-воздушной смеси;

Беспламенное горение

Рассмотрим работу беспламенной инжекционной горелки. Пуск горелки начинается с пламенного горения смеси в огнеупорном туннеле. По мере его разогрева… Рис. 9.2 Схема инжекционной беспламенной горелки

Каталитическое горение

Катализаторы – вещества, изменяющие скорость химической реакции и не входящие в ее стехиометрическое уравнение. В процессах сжигания топлива наиболее часто используют 2 группы… 1) металлы, в качестве которых применяют Pt и Pd;

Эффективность использования топлива

Теплоутилизационное оборудование энергетических установок

Высокое значение КИТ обусловлено тем, что технология сжигания топлива, применяемая в современных топках, обеспечивает практически полное… В то же время большие потери тепла с уходящими дымовыми газами (50 –70%) и… Как известно, при сжигании топлива образуются продукты сгорания с высокой температурой. При этом часто в…

Коэффициент теплоотдачи

Процессы передачи тепла через стенку, особенно в тех случаях, когда трудно определить поверхность теплообмена, а движение теплоносителя и/или хладоагента имеет турбулентный характер, не всегда поддаются аналитическому расчету по формуле К_Т*Р_Т*∆Т. Поэтому для процессов теплопередачи вводят коэффициент теплоотдачи (а), ккал/м²*ч*°С

Q = a·∆T,

где Q - тепловой поток, т.е. количество тепла передаваемое через единицу поверхности в единицу времени, ккал/м²-ч;

– разность температур теплоносителя и хладоагента через стенку теплообменника, °С.

По этой формуле расчет теплового потока сводится к определению коэффициента теплоотдачи, который, в свою очередь, определяется экспериментально или с помощью методов теории подобия для каждого типа теплообменника.

 

Лекция 7

 

ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИЕ ТЕХНОЛОГИИ УГЛЕВОДОРОДНОГО СЫРЬЯ

Принципы ресурсо- и энергосберегающих технологий углеводородного сырья

1-й Принцип: полное сгорание топлива. Принцип первый отражает следующие элементы технологии ресурсо- и… o количественность сжигания топлива, т.е. чтобы топливо сгорало на 100% (с учетом термодинамического контроля реакции…

Энергосберегающие технологии

Цель создания таких установок – эффективная комбинация теплоэнергетических процессов с промышленными технологическими процессами на основе… В энерготехнологических установках одновременно с энергетическими процессами,… Из сказанного видно, что назначение энерготехнологических установок –-эффективное, комплексное использование…

Энерготехнологические установки, использующие теплоту реакции сгорания углеводородного топлива

o установки переработки природного сероводородсодержащего газового конденсата с целью получения газовой серы (жидкой, комовой, гранулированной),… o установки пиролиза углеводородного сырья с целью получения ценных… На рис. 7.1 приведена принципиальная энерготехнологическая схема переработки H2S-содержащего природного газового…

Энерготехнологические установки, использующие теплоту реакции синтеза аммиака

Рассмотрим на примере промышленного процесса синтеза аммиака принципы создания энерготехнологических схем, для чего представим основные материальные… Рис.7.3 Схема материальных потоков процесса синтеза NH3

Такая технологическая связка паровой турбины и компрессора представляет наглядный пример выработки механической энергии за счет тепла реакции, что в конечном итоге приводит к существенной экономии энергии на сжатие азотоводородной смеси.

Продукты реакции конверсии метана (Н₂, СО, СН₄), имеющие температуру около 800°С, направляются в паровоздушный конвертор метана 2, на выходе из которого получается смесь (N₂, H₂, CO, СО₂), а затем в котел-утилизатор (К), где получается насыщенный водяной пар. Этот пар перегревается в конвекционной камере трубчатого конвертора и расходуется на конверсию метана. Охлажденная до температуры 450°С смесь N₂, Н₂, СО и СО₂ поступает в 2-х ступенчатый конвертор 3, где СО превращается в СО₂, а затем в абсорбер 4, где СО₂ поглощается водным раствором моноэтаноламина.

Очищенная от оксидов углерода азотоводородная смесь дожимается компрессором 5 до давления 30 МПа и поступает в колонну синтеза аммиака 7. Аммиак из колонны синтеза вместе с непрореагировавшей азотоводородной смесью последовательно охлаждается в котле утилизаторе (К) и других теплообменниках-холодильниках (на схеме не показаны). Сжиженный NH₃ складируется в изотермический резервуар 8.

Более половины всего вырабатываемого в РФ аммиака (12 млн.т/г) получают на энерготехнологических агрегатах мощностью 450 тыс.т/год, что составляет 1360 т или около одного ж.д. состава в сутки. Производство аммиака отличается большой энергоемкостью. Рассматриваемый агрегат расходует около 1,2 т условного топлива (у.т.), или около 1000 м³ метана, или около 8,4 Гкал на 1 т NH₃. Поэтому разработка аммиачного агрегата со сниженным потреблением энергии является актуальной.

Энерготехнологические агрегаты 1360 т/сут характеризуются наличием многочисленных материальных и энергетических потоков. Такой агрегат содержит 24 аппарата, преобразующих 25 материальных потоков, и 94 аппарата, преобразующих 115 энергетических потоков, 5 каталитических реакторов с 8 различными катализаторами, 11 основных рециркуляционных потоков сырья и продуктов реакций. Агрегат обеспечивает практически полную рекуперацию тепла всех экзотермических реакций. В процессе синтеза аммиака получается водяной пар с параметрами (давление 10 МПа, температура ≈ 500°С), что позволяет полностью удовлетворять потребности производства NH₃ в технологическом паре и механической энергии, расходуемой на привод компрессоров и насосов.

Попробуем оценить эффективность экспорта российского природного газа в Турцию в рамках проекта «Голубой поток». По газопроводу «Голубой поток», протяженностью 2312 км от г. Изобильное (Ставропольский край) до г. Самсун (Турция) с 2001 г. начаты поставки природного газа, которые к 2010 г. достигнут 16 млрд м³/год.

Если при транспортировке газа в Турцию принять цену за природный газ на уровне 100$ США за 1000 м³, то расчетная маржинальная прибыль (при условии платежеспособного спроса на газ в Турции) после возврата инвестиций в строительство газопровода составит около 20$ за 1000м³.

Вероятной альтернативой транспорта природного газа в Турцию могли бы стать газохимические проекты переработки природного газа в продукты более высокой потребительской ценности, например, аммиак.

Оценим эффективность двух сценариев реализации газа: 1-й – газ используется для производства аммиака; 2-й – для экспорта в Турцию.

Цена аммиака на рынке европейских стран по мировым котировкам ICIS-LOR (Independent Commodities Information Services) в течение 2004 г. не опускалась ниже 130$/т. Поэтому, маржинальная прибыль при продаже аммиака может составить ≈ 50$/т, т.е. в 2,5 раза выше, чем при продаже природного газа.

Принимая во внимание имеющуюся разницу между внутренними и экспортными ценами на природный газ, составляющую в 2004 г 50 – 70$/1000м³, нетрудно видеть, что, перерабатывая природный газ в NH₃, можно было бы выручить около 100$ в расчете 1000 м³ переработанного природного газа. В расчете на год при благоприятной конъюнктуре спроса на NH₃ можно было бы выручить от 0,3 до 1,6 млрд. $/год при газохимической переработке газа в объеме от 3 до 16 млрд. м³. В то же время выручка от продажи природного газа составит от 60 до 320 млн. $/год, т.е. 4,5 раза меньше, чем от продажи аммиака. Приведенная приближенная оценка этих сценариев (без учета затрат на строительство мощностей по синтезу аммиаки) показывает эффективность переработки природного газа в высокостоимостные химические, нефте- и газохимические товары в сравнении с экспортом природных газообразных энергоносителей.

Из приведенного выше расходного коэффициента видно, что для выработки 12 млн. т аммиака российским заводам требуется около 12 млрд. м³ СН₄. Поэтому дальнейший прогресс производства NH₃ связан, прежде всего, со снижением расхода природного газа, являющегося для процесса синтеза аммиака одновременно сырьевым и энергетическим ресурсом.

Рассмотрим основные направления снижения энергетических затрат, которые можно получить за счет совершенствования существующих агрегатов синтеза аммиака.

• Совершенствование технологии

Прежде всего, следует увеличить межремонтный пробег и надежность работы технологического оборудования установки получения NH₃. Так в периоды остановки и пуска агрегат синтеза NH₃ работает в условиях расхода природного газа далеких от оптимальных. Например, за время внеплановой остановки агрегата синтеза расходуется около 1 млн. м³ природного газа без выработки аммиака.

Основными путями увеличения надежности работы агрегата синтеза являются следующие:

§ обеспечение бесперебойного снабжения сырьем и отгрузки (сбыта) готовой продукции. Здесь еще раз уместно напомнить, что речь идет об агрегате синтеза аммиака мощностью 1360 т/сут., что составляет примерно 1 ж. д. состав;

§ улучшение качества основного и насосно-компрессорного оборудования, запорной арматуры, средств управления, автоматизации и контроля.

• Снижение энергозатрат.

Увеличение степени использования вторичных энергоресурсов. Например, за счет использования тепла дымовых газов для нагрева воздуха или других технологических потоков путем снижения их температуры на выходе с 230 до 190°С.

• Снижение расхода углеводородного сырья

Сбор и разделение «сдувочных» и резервуарных газов, содержащих около 60% H₂, полученного конверсией углеводородного сырья, и 7% Аг. Водород после разделения следует направить для смешения с циркулирующим потоком синтез газа (Н₂ +N₂), аргон – на получение технического аргона.

Вышеназванные усовершенствования могут дать экономию около 18% энергозатрат. Дальнейшее сокращение расхода энергии возможно за счет изменения принятой технологии синтеза аммиака.

Рассмотрим перспективные пути изменения технологии с позиции энерго- и ресурсосбережения.

Синтез аммиака проводится при давлении около 30 МПа. Поэтому предлагается существенно снизить давление синтеза (до 15 МПа и ниже). По-видимому,… • Использование мембранной технологии разделения аммиак-азотоводородной… Мембранная технология основана на селективной проницаемости различных газов и паров через мембраны, изготовленные из…

ПОВЫШЕНИЕ КОМПОНЕНТООТДАЧИ ПЛАСТОВ КАК ОСНОВА РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩИХ ТЕХНОЛОГИЙ УГЛЕВОДОРОДНОГО СЫРЬЯ

Эффективность работы добывающих и нагнетательных скважин во многом определяют характер выработки нефтяных пластов. Качественная и бесперебойная… В настоящее время в разработке находится большое количество месторождений,… Эффективность извлечения нефти из нефтеносных пластов современными, промышленно освоенными методами разработки, с…

Текущее состояние мировых запасов углеводородов

Таблица 8.1 Сопоставление оценок ОИЗ в млрд. т и КНИ на X и XI МНК

Современное состояние применения методов увеличения нефтеотдачи в России

На первом этапе для добычи нефти максимально возможно используется естественная энергия месторождения (упругая энергия, энергия растворенного газа,… На втором этапе реализуются методы поддержания пластового давления путем… На третьем этапе для повышения эффективности разработки месторождений применяются методы увеличения нефтеотдачи (МУН)…

Основные особенности государственного регулирования рационального использования запасов нефти в США

Сам механизм государственного управления рациональным недропользованием достаточно прост и гибок. В связи с тем, что он характеризуется… Американский опыт используется во многих странах. Его использование в нашей… В США право собственности на минеральные ресурсы изначально принадлежит собственнику земли (ее поверхности). Право…

РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩИЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРИ СБОРЕ, ПОДГОТОВКЕ И ТРАНСПОРТЕ УГЛЕВОДОРОДНОГО СЫРЬЯ

 

Потери углеводородов при сборе и подготовке продукции нефтяных и газовых скважин

Вопросы утилизации нефтяного газа можно решить несколькими способами, которые зависят от его состава и объемов добычи, транспортной схемы, наличия… Промысловая утилизация газа обычно предполагает использование его на нужды… Подача газа в систему «Трансгаза», кроме того, что требует огромных затрат на его подготовку, связана со значительными…

Методы устранения потерь

Отрасль располагает большим набором технологических и технических средств, принятых ведомственными комиссиями, позволяющих устранить основной объем… • разработать индивидуальные регламенты эксплуатации действующих объектов… • герметизировать оставшиеся резервуары и оборудование на основе индивидуального проектирования систем с…

Рециркуляция газа

В нефтяной промышленности выполнен ряд важных работ, направленных на сокращение и устранение потерь нефти и газа при их добыче, сборе, подготовке и… Удачным решением данной проблемы является технология сепарации нефти с…

Установка улавливания легких фракций

Исключение потерь конденсата

Рис. 9.1 Технологическая схема транспортирования газа с распыленным конденсатом

Технологии водогазового воздействия на пласт

ЦКР Роснедра (нефтяная секция) ПОСТАНОВЛЯЕТ: 1. Рекомендовать недропользователям расширить применение газовых технологий… 2. Считать целесообразным вопросы использования газовых методов воздействия обусловить в Правилах разработки нефтяных…

Технологии последовательной закачки газа и воды

Технологии попеременной закачки газа и воды могут достаточно эффективно использоваться для сильно неоднородных и прерывистых коллекторов, а также на… Технология ВГВ представляет совместную закачку воды из системы ППД и… Внутрискважинная система водогазового воздействия реализуется с помощью технологии ОРРНЭО и специальной скважинной…

Насосно-эжекторные установки для водогазового воздействия на залежь

На выходе из эжектора 1 водогазовая смесь имеет некоторое повышенное давление, которого, однако, недостаточно для эффективной закачки водогазовой… Преимущества насосно-эжекторной технологии ВГВ:

Энерготехнологии в трубопроводном транспорте газа

Основные направления развития энергосберегающих технологий транспорта природного газа связаны с экономией его ресурсов, прежде всего как топлива… Протяженность магистральных газопроводов на территории России превышает 150… В табл 9.1. приведена структура парка газоперекачивающих агрегатов (ГПА) ОАО «Газпром». Из данных табл. 9.1 следует,…

КПД газоперекачивающих агрегатов

В табл. 12.3 приведены объемы технологических потерь природного газа при работе ГТУ различных типов для двух пусков агрегатов в год. Видно, что… КПД ГТУ, т.е. величину, характеризующую полезно используемую часть тепла,… ή = (Qн -Qтп )/Qн