IX Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Попутный газ: утилизировать или использовать?
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
В 21 веке вопрос экологии стоит как некогда на первом месте, и сейчас важно следить за состоянием экологических проблем. Сжигания попутного нефтяного газа наносит большой вред природе. Актуальность нашего проекта заключается в решении глобальной проблемы сжигания ПНГ, так как при сжигании не только выбрасывается множество токсичных веществ в атмосферу, но и расходуется без пользы полезный ресурс.
Цель исследования: рассмотреть способы использования ПНГ (попутного нефтяного газа) без вреда для экологии.
Задачи исследования:
1) узнать о добычи полезных ископаемых и связанных с этим экологических проблемах;
2) изучить процесс добычи природного газа и нефти;
3) узнать информацию о попутном газе: добыча, состав, свойства;
4) узнать причины утилизации ПНГ;
5) рассмотреть современные способы использования ПНГ;
6) создать 3D модель месторождения для наглядного представления процесса сбора и использования ПНГ.
В качестве источников информации мы использовали информационные сайты: www.mining-enc.ru, promtu.ru, образовательные порталы: u.wikipedia.org, neftegaz.ru, www.natural-sciences.ru и периодические информационные интернет издания: novostienergetiki.ru, ria.ru, www.grasys.ru.
Глава 1. Добыча полезных ископаемых и связанные с этим проблемы природы
Добыча полезных ископаемых – это процессы извлечения твёрдых, жидких и газообразных полезных ископаемых из недр Земли с помощью технических средств. Термин "добыча полезных ископаемых" используется также как экономическая категория и выражается в объёмных или весовых единицах измерения: применительно к природному газу – в м3, промышленным водам — в м3/сутки (йод, бром и другие компоненты - в тоннах), нефти, углю, рудам, нерудному сырью — в тоннах, драгоценным камням – в каратах, полудрагоценным камням, исландскому шпату, пьезокварцу, флюориту - в килограммах, нерудным строительным материалам (гранит, карбонатные породы, песок, гравий, глина, перлит и др.) - в м3, сырью для цемента, гипсу, флюсам, абразивным материалам, красковому сырью - в тоннах, облицовочному декоративному камню - в м2. Исчисление добытых полезных ископаемых ведётся в абсолютных цифрах полученного из месторождения полезных ископаемых с учётом потерь (т.н. товарный продукт) и в пересчёте на полезный компонент (металл или оксид). Последнее делает сопоставимыми данные по добыче конкретного полезного ископаемого из различных полезных ископаемых (Приложение, Рисунок 1.1). [1]
В ходе добычи и переработки полезных ископаемых происходит большой геологический круговорот, в который вовлекаются различные системы. Вследствие этого оказывается большое воздействие на экологию региона добычи, и такое воздействие влечет за собой негативные последствия. Масштабы добычи полезных ископаемых велики – в расчете на одного жителя Земли в год добывается до 20 тонн сырья, из которых менее 10% переходит в конечный продукт, а остальные 90% – отходы. Кроме того, при добыче происходит значительная потеря сырья примерно 30 – 50%, что говорит о не экономности некоторых видов добычи, особенно открытого способа.
Россия является страной с широко развитой добывающей отраслью, имеет месторождения основных сырьевых ресурсов. Вопросы негативного влияния добычи и переработки сырья очень актуальны, поскольку эти процессы затрагивают все сферы Земли: Любой способ добычи предусматривает выемку руды из земной коры, что приводит к образованию полостей и пустот, нарушается целостность коры, увеличивается трещиноватость. В, результате этого растет вероятность обвалов, оползней, разломов близлежащей к руднику территории. Создаются антропогенные формы рельефа: Карьеры, отвалы, Оползни, Терриконы, Овраги. Такие атипичные формы имеют большие размеры, высота может достигать 300 м, а протяженность 50 км. Насыпи образуются из отходов переработанного сырья, на них не растут деревья и растения – это просто километры непригодной территории. Колоссальные экологические проблемы оказывает добыча полезных ископаемых на атмосферу. В результате процессов первичной обработки добытых руд в воздух выбрасываются большие объёмы: Метана и Оксидов Тяжёлых металлов, Серы, Углерода (Приложение, Рисунок 1.2). Созданные искусственные терриконы постоянно горят, выбрасывая в атмосферу вредные вещества – угарный газ, углекислый газ, сернистый газ. Такое загрязнение атмосферы приводит к увеличению уровня радиации, изменению температурных показателей и увеличение или уменьшения осадков. В результате добычи природного сырья сильно истощаются водоемы как подземные, так и поверхностные, осушаются болота. При добыче угля осуществляется откачка подземных вод, которые располагаются вблизи месторождения. На каждую тонну угля приходится до 20 м3 пластовых вод, а при добыче железных руд – до 8 м3 воды. Откачка вод создает такие экологические проблемы, как: образование депрессионных воронок; исчезновение родников; высыхание малых рек; исчезновение ручьев. Во время активной разработки крупных месторождений сырья радиус загрязнений близлежащих почв может составлять 40 км. Почва подвержена различным химическим изменениям, в зависимости от вредности перерабатываемых веществ. Если в землю попадает большое количество токсических веществ, на ней гибнут и не растут деревья, кустарники и даже трава. [2]
Глава 2. Добыча газа, нефти. Природный и попутный газ.
2.1 Попутный газ: проблема или полезный ресурс
До 30% всех промышленных выбросов загрязняющих веществ приходится на нефтегазовый сектор экономики. В атмосферу попадет сажа, продукты неполного сгорания углеводородов, монооксид углерода, диоксид серы и оксиды азота. Сжигание попутного нефтяного газа (ПНГ) является основным источником загрязнения окружающей среды в районах нефтедобычи. Окружающая среда и население подвергаются воздействию экологически вредных продуктов сгорания ПНГ. В среднем в России на 1 т добытой нефти приходится около 8 кг вредных атмосферных выбросов, которые локализуются преимущественно в сырьевых регионах. [3]
Необходимо также принять во внимание негативное влияние теплового загрязнения, источником которого являются нефтяные факела (Приложение, Рисунок 2.1.1). Западная Сибирь России - малонаселенный регион мира, огни которого можно видеть ночью из космоса наряду с ночным освещением крупнейших городов Европы, Азии и Америки.
Переработка ПНГ по газо- и нефтехимическому профилю - самое главное направление его полезного использования. На газоперерабатывающих предприятиях ПНГ сепарируется в сухой отбензиненый газ (СОГ), а также фракцию легких углеводородов (ШФЛУ), из которой производят продукты сжиженного углеводородного газа, нефтехимии и других продуктов.
Таким образом, само по себе развитие газо- и нефтехимии может стать решающим звеном в решении экологической проблемы сжигаемого ПНГ.
Второе направление полезной утилизации попутного нефтяного газа считается его использование для выработки электроэнергии, собственно для нужд самих нефтедобывающих компаний.
Эти два направления считаются «полезной утилизацией»
2.2 Проблемы сжигания попутного газа
Сжигание попутного нефтяного газа в факелах нефтеносных скважин (Приложение, Рисунок 2.2.1) не только причиняет непоправимый вред окружающей среде, нарушает экологическую обстановку в нефтепромысловых районах и в целом по всем мире, но и приводит к существенным экономическим потерям, составляющим сотни миллиардов рублей в год. [4]
Во-первых, при сжигании газа помимо диоксида углерода образуется твердые отходы в виде активной сажи, объем которой за год накапливается до 0,5 миллионов тонн.
Во-вторых, при сжигании газа образуется лишний СО2, который увеличивает количество парниковых газов на планете Земля.
В-третьих, метан, содержащийся в ПНГ, полностью не сгорает при сжигании. В итоге он попадает в атмосферу и еще больше способствует росту парникового эффекта. Помимо несгоревшего метана в атмосферу попадают окись азота, сернистый ангидрид и прочие несгоревшие тяжелые углеводороды, опасные для человека, растений и животных.
В-четвертых, вокруг факела нефтеносной скважины радиус термического разрушения почв колеблется в пределах 10-25 метров, растительности – от 50 до 150 метров.
В итоге, такое нерациональное использование – утилизация попутного нефтяного газа приводит к значительным выбросам твердых загрязняющих веществ, к ухудшению экологической обстановки в нефтепромысловых районах и во всем мире, к увеличению заболеваемости местного населения: раком легких, бронхов, поражениям печени и желудочно-кишечного тракта, нервной системы, зрения.
2.3 Свойства попутного газа Виталя
Попутный нефтяной газ - смесь газов, выделяющаяся из нефти, состоящая из 58% метана, 12% этана, 12% пропана, 10% бутана, 5.5% пентана и 2,5% других газов (Приложение, Рисунок 2.3.1). [5] ПНГ является ценным углеводородным компонентом, выделяющимся из добываемых, транспортируемых и перерабатываемых установках. Таким образом, особенностью происхождения нефтяного попутного газа является то, что он выделяется из нефти на любой из стадий. Основная особенность попутного газа заключается в высоком содержании тяжелых углеводородов.
ПНГ является побочным продуктом нефтяной добычи. При вскрытии очередного пласта первым делом начинается фонтанирование расположенного в «шапке» попутного газа. [6] ПНГ является важным сырьем для энергетики и химической промышленности. ПНГ имеет высокую теплотворную способность, которая колеблется в пределах 9000 - 15 000 Ккал/ м3, но его использование в энергогенерации затрудняется нестабильностью состава и наличием большого количества примесей, что требует дополнительных затрат на очистку («осушку») газа.
Со временем при дальнейшем освоении месторождения его доля сокращается, зато увеличивается процент содержания тяжелых углеводородов. [7] В химической промышленности содержащиеся в ПНГ метан и этан используются для производства пластических масс и каучука, а более тяжелые элементы служат сырьем при производстве ароматических углеводородов, высокооктановых топливных присадок и сжиженных углеводородных газов, в частности, сжиженного пропан-бутана технического (СПБТ). [8]
2.4 Способы использования попутного газа
До недавнего времени попутный газ в подавляющем большинстве случаев просто сжигался на факелах, что наносило значительный вред окружающей среде и приводило к значительным потерям ценного углеводородного сырья. Наличие тяжелых углеводородов в составе попутного газа негативно сказывается на их работе, что приводит к снижению номинальной производительности и межремонтного пробега.
В первозданном виде ПНГ практически не применяется (если не рассматривать его обратную закачку в нефтяной пласт). Чтобы использовать ПНГ по назначению, необходимо удалить механические примеси, серу, двуокись углерода, азот и извлечь из него тяжелые углеводородные фракции. Достигается это различными способами: с помощью криогенной, мембранной, адсорбционной технологий или с помощью технологии 3s сепарации. [9]
Конечными продуктами переработки ПНГ являются природный газ, сухой отбензиненный газ, сжиженный газ, газовый конденсат, широкая фракция легких углеводородов, стабильный газовый бензин, газовое моторное топливо, отдельные фракции тяжелых углеводородов.
Соответственно они могут быть использованы следующим образом:
– в качестве топлива, в т.ч. для выработки электроэнергии на энергетических установках,
– как ценное химическое сырье в химической, нефтехимической и фармацевтической промышленности.
Кроме того, попутный нефтяной газ может быть использован путем его обратной закачки в нефтеносный пласт с целью интенсификации нефтеотдачи. К сожалению, после извлечения нефти и этот закаченный газ также следует переработать, т.к. обратная закачка лишь отсрочивает проблему утилизации и рационального использования газа.
Оптимальный вариант применения попутного нефтяного газа зависит от размера месторождения: малого, среднего или крупного, от доступа к транспортной инфраструктуре или наличия модульных мобильных установок очистки, переработки и сжижения газа (Приложение, Рисунок 2.4.1).
Глава 3. Оптимальное использование попутного газа
3.1 Попутный газ: утилизировать или использовать?
Попутный газ из-за его малого количества утилизируют, но в его составе много метана который можно использовать для топлива. В современном мире существует несколько способов подготовки и переработки попутного газа: низкотемпературная сепарация, конденсация; абсорбционные методы; мембранная технология.
Абсорбционный метод реализует процессы, происходящие между молекулами газов и жидкостей. Если отсутствует взаимодействие между расплющивающейся жидкостью и орошаемым газом, то эффективность поглощения компонентов из паровоздушной смеси определяется только равновесием пар-жидкость.
Мембранная технология НПК «Грасис» — единственная технология, позволяющая одновременно проводить очистку от серосодержащих соединений и осушку по углеводородам или воде (Приложение, Рисунок 3.1.1). [10] Мембранные установки Грасис позволяют подготовить серосодержащий газ до требований, позволяющих использовать его в качестве топливного для ГПЭС (ГТЭС), печей подогрева нефти и в котельных. С помощью установки низкотемпературной конденсации и абсорбции отделяют сухой отбензиненный газ и ШФЛУ (широкая фракция углеводородов, Приложение, Рисунок 3.1.2).
Сухой отбензиненный газ, полученный в процессе переработки, можно рассматривать как комплексное сырье для самых разных отраслей промышленности и сельского хозяйства. [11] Получения сухого отбензиненого газа возможно только на газоперерабатывающих заводах с использованием специальных установок. Сегодня благодаря инновационным технологиям и современному оборудованию можно успешно выделять сухой отбензиненный газ, который доведен в результате переработки до состояния природного газа и используется в качестве сырья для предприятий химической отрасли.
ШФЛУ используется в качестве сырья нефтехимическими предприятиями для получения в первую очередь методом фракционирования индивидуальных углеводородов (пропана, бутана, пентана) и широкого ряда продукции при дальнейшей переработке индивидуальных углеводородов: каучука, пластмассы, этанола, растворителей. [12] С помощью этих установок можно разделить попутный газ на вещества, который нужны практически для всего. [13]
3.2 Создание 3D модели «Месторождение с установкой для сбора и очистки попутного газа»
Мы создали 3D модель «Месторождение с установкой для сбора и очистки попутного газа» в программе 3ds max 2019.
На 3d модели мы изобразили нефтяную скважину, буровую установку для бурения новых скважин, установку для разделения добываемого сырья на нефть, воду и ПНГ, установка низкотемпературной конденсации и абсорбции для очистки ПНГ, установка по переработке отбензининового газа, отсек по переработке нефти, а также бочки с ШФЛУ и склад (Приложение, Рисунок 3.2.1).
Из нефтяной скважины добывается сырая нефть вместе с водой и попутным газом. Далее сырая нефть отправляется на отделение от ПНГ и воды. Вода отправляется в нагнетание, а попутный газ разделяется на ШФЛУ и отбензинный газ с помощью абсорбционной установки. ШФЛУ сжигают, отбензиненный газ далее отправляется на подготовку для использования его в качестве топлива для нужд работников месторождения.
Заключение
В процессе нашей работы мы систематизировали знания о добыче полезных ископаемы и подробно изучили процесс добычи природного газа и нефти. Нефть добывается на нефтяных и газонефтяных месторождениях, природный газ на месторождениях газа, а вот попутный газ является сопутствующим побочным продуктом при добыче нефти. По составу ПНГ значительно отличается от природного газа, именно по этой причине ПНГ невозможно сразу использовать. Чтобы его использовать необходимо построить очистительные установки, стоимость которых очень высокая. Поэтому гораздо дешевле просто сжечь попутный газ.
Мы считаем, что нефтегазовые ресурсы даны человеку для пользы. Поэтому необходимо потратить средства и разместить на каждом месторождении установку для сбора и очистки ПНГ, пусть даже не с целью экономической выгоды, а с целью максимального использования природных ресурсов и сохранения экологии нашей планеты.
Мы создали 3D модель небольшого нефтяного месторождения для наглядного представления процесса сбора и использования ПНГ. После очистки такой газ можно направить как топливо в целях поддержания жизнедеятельности станции.
Наша работа может быть использована на уроках окружающего мира, физики и внеклассных мероприятиях.
Список интернет-источников:
http://www.mining-enc.ru/d/dobycha-poleznyx-iskopaemyx/;
https://promtu.ru/dobyicha-resursov/vozdeystvie-na-ekologiyu-posle-dobyichi-iskopaemyih;
https://www.google.ru/url?sa=i&url=http%3A%2F%2Frupec.ru%2Fnews%2F38430%2F&psig=AOvVaw0k3QKKVgUzyrmUaAzTCPgO&ust=1588253708935000&source=images&cd=vfe&ved=0CAIQjRxqFwoTCOilla7gjekCFQAAAAAdAAAAABAY;
https://novostienergetiki.ru/poputnyj-neftyanoj-gaz-i-problema-ego-utilizacii/;
https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9F%D0%BE%D0%BF%D1%83%D1%82%D0%BD%D1%8B%D0%B9_%D0%BD%D0%B5%D1%84%D1%82%D1%8F%D0%BD%D0%BE%D0%B9_%D0%B3%D0%B0%D0%B7;
https://neftegaz.ru/tech-library/energoresursy-toplivo/141459-poputnyy-neftyanoy-gaz-png/;
https://wwf.ru/upload/iblock/84a/png_2017_web.pdf;
https://ria.ru/20100201/206673791.html;
https://втораяиндустриализация.рф/poputnyiy-neftyanoy-gaz/#pererabotka-ispolzovanie-i-primenenie-poputnogo-neftyanogo-gaza;
https://www.natural-sciences.ru/ru/article/view?id=30574;
https://neftegaz.ru/tech-library/tekhnologii/141778-nizkotemperaturnaya-kondensatsiya-i-rektifikatsiya-ntk/;
https://www.grasys.ru/suhoj-otbenzinennyj-gaz/;
https://neftegaz.ru/tech-library/energoresursy-toplivo/141451-shirokaya-fraktsiya-legkikh-uglevodorodov/.
Приложение
|
Рисунок 1.1 Анголское месторождениенефти |
|
Рисунок 1.2 Процесс загрязнения атмосферы |
|
Рисунок 2.1.1 Нефтяной факел при сжигании ПНГ |
|
Рисунок 2.2.1 Ущерб сжигания ПНГ |
|
Рисунок 2.3.1 Состав ПНГ |
|
Рисунок 2.4.1 Блочный пункт подготовки газа на базе холодильной установки компания ГЕА |
|
Рисунок 3.1.1 Мембранные установки: очистка ПНГ от серосодержащих соединений и осушку по углеводородам или воде. |
|
Рисунок 3.1.2 Установка низкотемпературной конденсации и абсорбции для отделения сухого отбензиненного газа и ШФЛУ |
|
Рисунок 3.2.1 3D модель «Месторождение с установкой для сбора и очистки попутного газа»: 1 нефтяная скважина, 2 буровая установка, 3 установка для разделения добываемого сырья на нефть, воду и ПНГ, 4 установка низкотемпературной конденсации и абсорбции, 5 бочки с ШФЛУ, 6 установка по переработке отбензининового газа, 7 отсек по переработке нефти, 8 склад. |
9