Разработка предложений по очистке природного газа и переработке кислых газов с получением товарной продукции серы на примере Карачаганакского месторождения

Введение

В последние десятилетия нефтегазовый комплекс Республики Казахстан занимает ключевое место в топливно-энергетическом балансе страны. Рост объемов добычи и переработки углеводородов сопровождается усилением антропогенного воздействия на окружающую среду. Особую тревогу вызывает высокое содержание сероводорода и сероорганических соединений в природном газе Карачаганакского месторождения, что требует внедрения эффективных технологий очистки и утилизации.

Создание собственных мощностей по очистке газа и производству серы позволяет решить сразу несколько задач:

• снизить экологические риски при транспортировке и переработке газа;
• обеспечить регион дешевым топливом;
• получить дополнительный товарный продукт – элементную серу;
• создать новые рабочие места и инфраструктуру.

Общие сведения о предприятии

Природно-климатическая характеристика района

Карачаганакское месторождение расположено в Западно-Казахстанской области, в 16 км от города Аксай. Климат региона резко-континентальный: среднегодовая температура +4,2 °С, абсолютный минимум –43 °С, максимум +44 °С. Осадки редкие – 240–300 мм в год, ветры преимущественно юго-восточные и северо-западные. Почвы представлены каштановыми и светло-каштановыми, растительность – ковыльно-типчаковыми степями.

Характеристика месторождения

Карачаганакское нефтегазоконденсатное месторождение открыто в 1979 году и занимает площадь около 30000 га. Запасы составляют более 1,2 млрд тонн нефти и конденсата и свыше 1,35 трлн м³ газа. Газ содержит до 3,7 % сероводорода, до 900 г/м³ конденсата. Разработка ведется на глубине до 5300 м. Для поддержания пластового давления применяется закачка сухого газа.

Влияние на окружающую среду

Основными источниками загрязнения являются факельные установки, компрессорные станции, резервуарные парки и оборудование УКПГ. В атмосферу выбрасываются:

• сероводород и диоксид серы;
• оксиды азота и углерода;
• сажа и меркаптаны;
• летучие углеводороды.

Концентрации загрязнителей в атмосфере в зоне влияния месторождения превышают ПДК по сероводороду и диоксиду серы. В почве и воде зафиксировано накопление тяжелых металлов и нефтепродуктов. Санитарно-защитная зона установлена в радиусе 3 км от границ месторождения.

Очистка природного газа от соединений серы

Классификация способов очистки

Существующие методы очистки газа от сероводорода классифицируются по типу поглотителя и конечному продукту:

• Абсорбционные: химическая (амины, щелочи) и физическая (метанол, ректизол);
• Адсорбционные: цеолиты, активированный уголь;
• Окислительные: процесс Клауса, каталитическое окисление.

Выбор метода зависит от состава газа, требуемой степени очистки и экономических факторов.

Технология компании Union Carbide

Процесс очистки на основе метилдиэтиламина (MDEA) обеспечивает селективное удаление H₂S при минимальном поглощении CO₂. Газ последовательно проходит:

1. Абсорбционную колонну, где H₂S и меркаптаны поглощаются раствором MDEA;
2. Регенератор, где поглотитель освобождается от сероводорода;
3. Конденсатор для отделения жидкой серы.

Остаточное содержание H₂S в очищенном газе не превышает 4 мг/м³.

Разработка технологической схемы для КНГКМ

Предложена двухступенчатая схема очистки природного газа метанолом при низких температурах:

• 1-я ступень: абсорбция при –70 °С, удаление основной массы H₂S и тяжелых углеводородов;
• 2-я ступень: доводка при –60 °С, удаление остаточного CO₂ и органических соединений серы;
• Регенерация метанола: двухступенчатая десорбция с последующим охлаждением.

Концентрированные кислые газы (58 % H₂S) направляются на установку Клауса для получения серы.

Расчет абсорбционной колонны

Исходные данные

Производительность одной колонны – 15,85 м³/с. Концентрация H₂S на входе – 914 мг/м³, на выходе – 0,015 мг/м³. Давление – 2 МПа, температура – –45 °С. В качестве поглотителя используется метанол.

Гидравлический расчет

Диаметр колонны первой ступени – 2,6 м, второй – 2,2 м. Высота насадки – 10,7 м и 7,6 м соответственно. Гидравлическое сопротивление – 69 кПа и 27 кПа. Используется кольцевая насадка Рашига и хордовая деревянная насадка.

Производство серы из кислых газов

Область применения серы

Основной потребитель серы – производство серной кислоты. Также сера используется для:

• получения удобрений, синтетических волокон, красителей;
• вулканизации резины, производства спичек и пиротехники;
• создания серобетона и теплоизоляционных материалов.

Процесс Клауса

Технология включает три стадии:

1. Термическое окисление 1/3 H₂S до SO₂ при 1200 °С;
2. Каталитическое взаимодействие H₂S и SO₂ с образованием элементной серы;
3. Конденсация серы и доочистка хвостовых газов.

Общая степень конверсии достигает 99,4 %. Катализатор – γ-Al₂O₃ с добавками TiO₂ и SiO₂.

Экологические и экономические эффекты

Снижение выбросов

После внедрения установки Клауса выбросы загрязняющих веществ сократились:

• SO₂ – с 0,184 до 0,048 г/с;
• CO₂ – с 320 до 132 г/с;
• сажа – с 480 до 199 г/с.

Экономический эффект

Годовой экономический ущерб от загрязнения до внедрения технологии составлял 541 млн тенге, после – 203 млн тенге. Чистый экономический эффект – 338 млн тенге в год без учета доходов от продажи серы.

Заключение

Внедрение комплексной технологии очистки природного газа и производства серы на Карачаганакском месторождении позволяет:

• снизить экологическую нагрузку на регион;
• получить высокоценный товарный продукт – элементную серу;
• обеспечить стабильное снабжение потребителей очищенным газом;
• получить значимый экономический эффект за счет уменьшения экологических платежей и реализации серы.

Технологическая схема апробирована на аналогичных объектах и рекомендована для масштабирования на других месторождениях Казахстана с высоким содержанием сероводорода.