Использование гранулированных доменных шлаков для очистки природного газа от вредных компонентов

The use of granulated blast-furnace slags for the purification of natural gas from harmful components

Автор: Жилин Илья Владимирович

ФГБОУ ВО «Юго-Западный государственный университет», г. Курск, Россия

e-mail: ilyazhilin@gmail.com

Zhilin Ilya Vladimirovich

South-West State University, Kursk, Russia

e-mail: ilyazhilin@gmail.com 

Аннотация: Данная статья посвящена исследованию нового типа адсорбента для очистки природного газа от вредных примесей. Проанализирован зарубежный опыт создания систем очистки природного газа. Изучен опыт проведения экспериментального исследования с использованием гранулированного доменного шлака. В статье представлена и описана экспериментальная установка, предназначенная для исследования адсорбционных свойств гранулированного доменного шлака, предложены методика проведения эксперимента и способ анализа компонентов природного газа.

Abstract: This article is devoted to the study of a new type of adsorbent for the purification of natural gas from harmful impurities. Foreign experience in creating natural gas purification systems is analyzed. The experience of conducting an experimental study using granulated blast-furnace slag has been studied. The article presents and describes an experimental setup designed to study the adsorption properties of granulated blast-furnace slag, a method for conducting an experiment and a method for analyzing natural gas components are proposed.

Ключевые слова: природный газ, газовая промышленность, очистка природного газа, гранулированный доменный шлак. 

Keywords: natural gas, gas industry, natural gas purification, granulated blast-furnace slag. 

Тематическая рубрика: Энергетика и ресурсосбережение.

На сегодняшний день природный газ является одним из самых важных источников тепловой энергии. В процессе сгорания природного газа в атмосферу попадает значительно меньше вредных выбросов, чем при сгорании угля или нефтепродуктов. Помимо этого, извлекаемые из природного газа тяжелые углеводороды и газовый конденсат, представляет высокую ценность для химической промышленности.

В процессе добычи и транспортировки в природном газе содержатся различные механические и иные сторонние примеси. Наличие подобных примесей в природном газе может привести к преждевременному износу газопроводов, арматуры и оборудования, как на компрессионных станциях, так и у потребителя. В связи с этим, возникает необходимость установки систем технологической очистки и осушки газа на местах промысла и на компрессионных станциях.

Тема очистки природного газа от вредных компонентов достаточно широко изучена как в отечественных, так и в зарубежных источниках. На сегодняшний день ключевыми вопросами исследования и разработки систем очистки природного газа являются: снижение количества сторонних примесей, остающихся в природном газе после процесса очистки, снижение себестоимости процесса очистки, повышение газоотдачи пластов, оптимизация и автоматизация технологических процессов. Рассмотрим некоторые из этих источников. 

Исследователи из Sustainable Thermal Systems Laboratory, GWW School of Mechanical Engineering, Georgia Institute of Technology, Atlanta, United States (США) Darshan G. Pahinkar, Srinivas Garimella в работе «A novel temperature swing adsorption process for natural gas purification: Part I, model development» исследуют новый цикл разделения газа на основе TSA, в котором используется монолит микроканала с полой полимерно-адсорбирующей матрицей, покрытой вдоль внутренних стенок каждого микроканала. CO2 удаляется из CH4 путем пропускания загрязненного исходного газа через микроканалы, за которым следует последовательный поток десорбирующей горячей жидкости, охлаждающей жидкости и продувочного газа через те же микроканалы. Ожидается, что эта конфигурация увеличит передачу тепла и массы адсорбенту за счет прямого контакта между передающей жидкостью и слоем адсорбента, а также уменьшит общий размер системы за счет потока рабочей и соединительной жидкостей через одни и те же микроканалы. В этой части I исследования, состоящего из двух частей, разрабатываются вычислительные модели для изучения соответствующей динамики жидкости, теплопередачи и массопереноса в каждом процессе. Параметрические исследования проводятся для определения оптимальной геометрии микроканалов и материалов адсорбента и теплоносителя (HTF). Ожидается, что этот процесс позволит очистить на два порядка большую пропускную способность газа по сравнению с конструкциями на основе пласта. В сопроводительном документе, часть II, обсуждается всеобъемлющая карта производительности процесса и оптимизация энергетических потребностей для процесса. [1]. 

В исследовании Chu Y. [2] «Mathematical modeling and process parametric study of CO2 removal from natural gas by hollow fiber membranes» разработана математическая модель симуляции очистки природного газа от СО2 посредством использования модулей с мембранами из полого волокна. Проведенное теоретическое исследование показало высокий процент совпадения с экспериментальными данными (отклонения в пределах 1-5%). В работе проведено обоснование применяемых материалов мембранных модулей. Однако автор отмечает, что повышение входного давления природного газа увеличивает эксплуатационные затраты за счет повышенного потребления энергии.

В исследовании Grande C.A. [3] «Capture in Natural Gas Production by Adsorption Processes» изучается целесообразность процесса адсорбции CO2 при переменном давлении. Были проанализированы зависимости протекания процесса от различных переменных. Авторы отмечают, что это первое исследование в своем роде, и поэтому технологический процесс подлежит доработке, так как он пока проигрывает по рентабельности процессу очистки с использованием аминов. Исследование утверждает, что это связано с уносом молекул природного газа вместе с потоком удаляемого CO2, что потенциально можно исправить использованием другого адсорбента.

Одним из таких адсорбентов потенциально может стать гранулированный доменный шлак. Он обладает высокими адсорбционными свойствами и низкой стоимостью. Адсорбционные свойства этого материала были экспериментально проверены в работе [4] при поглощении вредных компонентов дымовых газов водонагревателя. Результаты проведенного в работе эксперимента показали, что предложенный адсорбент – гранулированная пемза, изготовленная из основных металлургических шлаков модулем основности М>1 (гранулированный доменный шлак), можно использовать при сжигании природного газа в теплогенераторах для очистки дымовых газов методом адсорбции от  вредных компоненты (NOx, СОх и др.). Предлагаемый адсорбент, на примере теплогенератора системы поквартирного теплоснабжения, позволяет снизить количество вредных веществ, выбрасываемых в атмосферу (оксидов азота (NOx) на 45-55 %, монооксида углерода (CO) на 10-30 %, диоксида углерода (CO2) на 15-25%.

Но для того чтобы проверить физические свойства гранулированного доменного шлака в качестве адсорбционного материала вредных примесей природного газа, необходимо изучить физические процессы, протекающие в адсорбере и определить, какие факторы повышают эффективность данных процессов. Все это возможно выявить, проведя ряд исследований на реально действующей адсорбционной установке. Но на данный момент подобный эксперимент на газопроводе невозможен в силу объективных обстоятельств.

Функциональное назначение газопроводов не связано с проведением исследований, экономически нецелесообразно и трудоемко. Выходом из сложившейся ситуации может стать проведение эксперимента на смоделированной в лабораторных условиях установке. Для достижения поставленной цели необходимо спроектировать, и изготовить экспериментальную установку. Предлагаемая схема экспериментальной установки представлена на рисунке 1.

Рис.1. Схема экспериментальной установки.

Экспериментальная установка функционирует следующим образом. Баллон с природным газом с помощью удлинительного шланга подключается к шаровому крану 1. После открытия шарового крана 1 природный газ под давлением поступает в основной корпус установки 5, проходя через металлическую сетку 10, а затем через слой адсорбента 9 (гранулированный доменный шлак, модуль основности М>1, размер гранул 5-10 мм). После прохождения слоя адсорбента природный газ через патрубок 3 и фланцевый кран 2 удаляется из внутреннего объема установки. Удаленный природный газ по удлинительному шлангу закачивается в герметичную емкость или пустой газовый баллон небольшого объема, что позволит позднее провести хроматографический анализ состава компонентов природного газа и установить поглотительную способность слоя адсорбента. Изменяемыми параметрами в ходе эксперимента будут являться толщина слоя засыпки адсорбента 9 и процесс регенерации слоя адсорбента. Исполнение патрубка 3 позволяет после отключения удлинительного шланга и продувки корпуса установки поместить через внутреннюю полость патрубка 3 перфорированную трубу в основной корпус установки 5. Подача воды через перфорированную трубу позволит распределить потоки воды и равномерно регенерировать весь слой используемого адсорбента 9. После прохождения через слой адсорбента 9 пропущенная промывочная вода, насыщенная кислотными компонентами, собирается коническим коллектором 6, а затем через патрубок 7 и шаровый кран 4 удаляется за пределы установки. Для изменения толщины слоя засыпки адсорбента 9 и доступа к внутреннему объему верхняя часть корпуса установки 12 соединена с основным корпусом фланцевым соединением 8. Для более надежной фиксации металлической сетки 10 с корпусом 5 предусматриваются опоры 11. Опоры 13 позволяют использовать установку в вертикальном положении. Для удобства перемещения установки с места сборки до места проведения эксперимента опоры 13 следует предусмотреть возможность отсоединения опор. Перед первым использованием экспериментальной установки необходимо проверить ее на герметичность. Для этого к шаровому крану 1 подключается манометр со штуцером, а к штуцеру подключается воздушный компрессор. После достижения давления в 320кПа сварные швы и все места соединения проверяются мыльной водой на предмет утечек. 

Как было сказано ранее, природный газ, после прохождения через экспериментальную установку, необходимо проанализировать для уточнения состава находящихся в нем компонентов. Хроматографический анализ газа — это процесс исследования газовых смесей на предмет количества содержащихся в них компонентов и их качественных характеристик. Газовый хроматограф конструктивно представляет собой настольный прибор с функциональными узлами, размещенными в корпусе. Систему оборудования составляют источник инертного газа-носителя (баллон), устройство для ввода анализируемой пробы газа, хроматографическая колонка, термостат, детектор, преобразователь сигналов и регистратор-самописец.

В газовом хроматографе газ-носитель из баллона через регуляторы расхода и давления непрерывно с постоянной или переменной скоростью подается в хроматографическую колонку. Она представляет собой трубку, заполненную сорбентом и помещенную в термостат, который позволяет поддерживать заданную температуру. Ввод газообразной пробы осуществляется либо вручную (газовым шприцем или микрошприцем), либо автоматически при помощи микродозаторов. В хроматографической колонке происходит разделение многокомпонентной смеси на ряд смесей, состоящих из газа-носителя и одного из анализируемых компонентов. Они, в свою очередь, поступают в детектор. В результате происходящих в детекторе процессов фиксируется изменение сигнала в виде кривой — хроматограммы. После этого она обрабатывается и пересчитывается в концентрации выходящих компонентов.

Таким образом, можно сделать вывод, что исследование поглощающей способности вредных примесей природного газа гранулированными доменными шлаками является потенциально перспективным направлением. Однако, для получения полноценных данных необходимо проведение экспериментального исследования.

Список литературы:

1. Darshan G. A novel temperature swing adsorption process for natural gas purification: Part I, model development / Darshan, G. A [et al.] Separation and Purification Technology. – 2018. Volume 203. Pages 124-142.

2. Chu Y. Mathematical modeling and process parametric study of CO2 removal from natural gas by hollow fiber membranes / Y. Chu, A.  Lindbråthen, L. Lei [et al.] // Chemical Engineering Research and Design. – 2019. Volume 148. – Page 45-55.

3. Grande C.A. CO2 Capture in Natural Gas Production by Adsorption Processes / C.A. Grande, S. Roussanaly, R. Anantharaman [et al.] // Energy Procedia. – 2017. Volume 114. – Page 2259-2264.

4. Ежов В.С. Использование гранулированных доменных шлаков для очистки газообразных продуктов сгорания и атмосферного воздуха от вредных компонентов / В.С. Ежов, Н.Е. Семичева, Н.В. Бредихина [и др.] // Химическое и нефтегазовое машиностроение. – 2019. – №6.