RU99780U1

RU99780U1 - DEVICE FOR PREPARATION OF APPARATUS OIL GASES FOR USE IN POWER PLANTS

Info

Publication number: RU99780U1
Application number: RU2010127227/05U
Authority: RU
Inventors: Павел Валерьевич Снытников; Валерий Александрович Кириллов; Николай Алексеевич Кузин; Владимир Дмитриевич Беляев; Юрий Иванович Амосов; Виктор Викторович Киреенков; Владимир Александрович Собянин; Мария Михайловна Попова; Татьяна Викторовна Полянская; Дмитрий Игоревич Потемкин
Original assignee: Учреждение Российской Академии наук Институт катализа им. Г.К. Борескова Сибирского отделения РАН (ИК СО РАН)
Priority date: 2010-07-05
Filing date: 2010-07-05
Publication date: 2010-11-27

Abstract

1. Устройство подготовки попутных нефтяных или сырых природных газов посредством каталитической конверсии для использования в энергоустановках, состоящее из системы запуска, системы подачи и дозирования реагентов, конвертора, теплообменников, системы управления, отличающееся тем, что в конверторе установлен, по крайней мере, один слой катализатора, позволяющего при температуре не выше 450°С конвертировать в метан соединения, присутствующие в попутных нефтяных или сырых природных газах, имеющие низкую детонационную стойкость и повышающие вероятность смоло- и сажеобразования. ! 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в конверторе расположен катализатор, в качестве активного компонента которого используют различные комбинации оксидов алюминия, кремния, переходных и редкоземельных элементов 4-6 периодов, в основном четвертого и пятого периодов, преимущественно Сu, Со, Ni, Fe, Cr, Mn, Ti, Zr; La, Ce, Y, Sm, Pr, Gd, и металлов платиновой группы, в основном Pt, Pd, Rh, Ir, Ru, преимущественно Pt, Rh, Ru. ! 3. Устройство по пп.1 и 2, отличающееся тем, что катализаторы, установленные в конверторе в несколько слоев, могут иметь различный или одинаковый состав. ! 4. Устройство по пп.1 и 2, отличающееся тем, что в конверторе расположен катализатор, представляющий собой армированный пористый материал, выполненный в виде плоских и гофрированных газопроницаемых армированных лент, комбинации которых образуют газопроницаемые каталитически активные каналы различной формы и геометрии. ! 5. Устройство по пп.1 и 2, отличающееся тем, что в конверторе расположен блочный катализатор на металлическом, керамическом или металлокерамическом носителе. ! 6. Устройство по 1. A device for the preparation of associated petroleum or raw natural gases through catalytic conversion for use in power plants, consisting of a start-up system, a system for supplying and dispensing reagents, a converter, heat exchangers, a control system, characterized in that at least one layer is installed in the converter catalyst, allowing at a temperature not exceeding 450 ° C to convert into methane compounds present in associated petroleum or raw natural gases, having low knock resistance and increasing ie the probability smolo- and sooting. ! 2. The device according to claim 1, characterized in that the converter contains a catalyst, the active component of which is used various combinations of oxides of aluminum, silicon, transition and rare earth elements of 4-6 periods, mainly the fourth and fifth periods, mainly Cu, Co Ni, Fe, Cr, Mn, Ti, Zr; La, Ce, Y, Sm, Pr, Gd, and platinum group metals, mainly Pt, Pd, Rh, Ir, Ru, mainly Pt, Rh, Ru. ! 3. The device according to claims 1 and 2, characterized in that the catalysts installed in the converter in several layers can have different or the same composition. ! 4. The device according to claims 1 and 2, characterized in that the converter contains a catalyst, which is a reinforced porous material made in the form of flat and corrugated gas-permeable reinforced tapes, combinations of which form gas-permeable catalytically active channels of various shapes and geometries. ! 5. The device according to claims 1 and 2, characterized in that the converter has a block catalyst on a metal, ceramic or cermet carrier. ! 6. The device according

Description

Полезная модель относится к нефтяной и газовой промышленности, в частности к системам утилизации и использования попутных нефтяных и сырых природных газов в энергетике.The utility model relates to the oil and gas industry, in particular to systems for the utilization and use of associated petroleum and raw natural gases in the energy sector.

При добыче нефти в процессе сепарации выделяется большой объем растворенных в ней попутных нефтяных газов (ПНГ). Они представляют собой смесь газообразных углеводородов различного молекулярного веса, в основном подразделяемую на метан и так называемую широкую фракцию легких углеводородов (ШФЛУ). Эти попутные газы, обладая высоким энергосодержанием, являются ценным энергетическим сырьем. Использование попутных нефтяных газов для выработки электрической и тепловой энергии с помощью, например, газопоршневых электростанций - возможно наиболее эффективный и технологичный способ его утилизации. Однако, данный способ напрямую применим только на месторождениях со стабильно высоким (75% и выше) содержанием метана и низким содержанием ШФЛУ. Многие известные месторождения содержат значительно меньшие количества метана при высоком содержании ШФЛУ, вызывающих детонацию и вывод из строя газопоршневых станций на основе двигателей внутреннего сгорания или превышение допустимого уровня содержания токсичных компонент в выхлопных газах газотурбинных установок. Отдельную проблему представляет непостоянство состава ПНГ, который может быть подвержен существенным колебаниям с течением времени, иногда даже в течение суток. Одним из возможных подходов по утилизации ПНГ, известных в настоящее время, является фракционирование (например, путем разделения при низких температурах, компремирования при высоких давлениях, разделения на мембранных фильтрах или путем проведения адсорбционных процессов) на метан, пригодный для выработки электрической и тепловой энергии, и ШФЛУ, используемую в качестве сырья для химической промышленности. Поскольку данный процесс экономически оправдан только в условиях газоперерабатывающих заводов, нефтяные компании сталкиваются с необходимостью вкладывать значительные средства в создание газотранспортных и перерабатывающих мощностей. Строительство такой инфраструктуры экономически эффективно лишь на крупных промыслах и экономически необоснованно на средних и мелких месторождениях, особенно в отдаленных районах. В принципе, вышесказанное также относится и к сырым, то есть не прошедшим обработки, природным газам, в которых доля ШФЛУ также может быть достаточно высокой. В результате, промыслы нефте- и газодобычи не могут использовать добываемые ими попутные или сырые газы для собственных нужд и вынуждены, сжигая их в факелах, использовать дорогое привозное топливо. Общим недостатком всех известных способов подготовки ПНГ и сырых природных газов для использования в энергоустановках является то, что они снижают концентрацию соединений, склонных к детонации, разделяя тяжелые и легкие компоненты и отбрасывая хоть и непригодные для данного типа двигателей, но, тем не менее, ценные в энергетическом отношении составляющие. Вследствие этого снижается полное энергосодержание газового топлива.When oil is extracted during the separation process, a large amount of associated petroleum gas (APG) is dissolved in it. They are a mixture of gaseous hydrocarbons of various molecular weights, mainly subdivided into methane and the so-called broad fraction of light hydrocarbons (NGL). These associated gases, having a high energy content, are a valuable energy source. The use of associated petroleum gases to generate electric and thermal energy using, for example, gas reciprocating power plants is perhaps the most effective and technologically advanced way of its utilization. However, this method is directly applicable only to fields with a stably high (75% and higher) methane content and low NGL content. Many well-known deposits contain significantly lower amounts of methane with a high content of NGL, causing detonation and failure of gas reciprocating stations based on internal combustion engines or exceeding the allowable level of toxic components in the exhaust gases of gas turbine plants. A separate problem is the inconstancy of the composition of APG, which can be subject to significant fluctuations over time, sometimes even during the day. One of the possible APG utilization approaches currently known is fractionation (for example, by separation at low temperatures, compression at high pressures, separation on membrane filters or by adsorption processes) into methane suitable for generating electrical and thermal energy, and BFLH, used as a raw material for the chemical industry. Since this process is economically justified only in the conditions of gas processing plants, oil companies are faced with the need to invest heavily in the creation of gas transmission and processing facilities. The construction of such an infrastructure is economically efficient only in large fields and economically unreasonable in medium and small fields, especially in remote areas. In principle, the above also applies to raw, that is, untreated, natural gases, in which the proportion of NGL can also be quite high. As a result, the oil and gas production fields cannot use the associated or raw gases they produce for their own needs and are forced to use expensive imported fuel while burning them in flares. A common disadvantage of all known methods for preparing APG and raw natural gases for use in power plants is that they reduce the concentration of compounds prone to detonation, separating heavy and light components and discarding, although unsuitable for this type of engine, valuable in terms of energy components. As a result, the total energy content of gas fuel is reduced.

Известен способ подготовки попутных нефтяных и сырых природных газов для использования в поршневых двигателях внутреннего сгорания (RU 2385897, C10L 3/10, F02M 31/00, 10.04.2010), который состоит в том, что подготавливаемый газ в смеси с кислородсодержащим газом, например с воздухом, подвергают термообработке при температуре 450-1100°С в течение 0,01-50 с при содержании свободного кислорода в смеси 0,5-5%. Термообработка может быть проведена также и в присутствии катализаторов окислительной конденсации метана, паровой, углекислотной конверсии метана, окислительного дегидрирования низших алканов или их комбинации. В качестве промоторов реакции могут выступать оксиды азота, пероксид водорода, соединения галогенов, непредельные или кислородсодержащие углеводороды или снижающие вероятность сажеобразования (пары воды). В результате при указанных условиях практически не наблюдается конверсия более легких углеводородов C₁-C₄, в то время как конверсия углеводородов С₅₊, имеющих очень низкие метановые числа, превышает 95%. Основными продуктами превращения C₅₊ углеводородов при такой термообработке попутных нефтяных газов являются (в порядке убывания выхода) этилен, метан, этан и монооксид углерода. Таким образом обеспечивается селективная конверсия соединений, имеющих низкую детонационную стойкость и повышающих вероятность смоло- и сажеобразования, и происходит увеличение метанового числа подаваемого в энергоустановку газа.There is a method of preparing associated petroleum and raw natural gases for use in reciprocating internal combustion engines (RU 2385897, C10L 3/10, F02M 31/00, 04/10/2010), which consists in preparing the gas in a mixture with an oxygen-containing gas, for example with air, subjected to heat treatment at a temperature of 450-1100 ° C for 0.01-50 s with a free oxygen content in the mixture of 0.5-5%. Heat treatment can also be carried out in the presence of catalysts for oxidative condensation of methane, steam, carbon dioxide conversion of methane, oxidative dehydrogenation of lower alkanes, or a combination thereof. Nitrogen oxides, hydrogen peroxide, halogen compounds, unsaturated or oxygen-containing hydrocarbons, or reducing the likelihood of soot formation (water vapor) can act as reaction promoters. As a result, under the indicated conditions, the conversion of lighter C ₁ -C ₄ hydrocarbons is practically not observed, while the conversion of C ₅₊ hydrocarbons having very low methane numbers exceeds 95%. The main products of the conversion of C ₅₊ hydrocarbons during such heat treatment of associated petroleum gases are (in decreasing order of yield) ethylene, methane, ethane and carbon monoxide. In this way, selective conversion of compounds having low knock resistance and increasing the likelihood of tar and soot formation is ensured, and the methane number of the gas supplied to the power plant increases.

Не смотря на то, что в указанном способе удается конвертировать углеводороды С₅₊, одним из недостатков является отсутствие конверсии С₂-С₄ компонент попутного нефтяного газа, имеющих невысокие метановые числа по сравнению с чистым метаном. Например, пропан и бутан имеют метановые числа 35 и 11, соответственно, и, находясь даже в малых количествах в смеси с метаном, значительно снижают ее метановое число. Например, для смеси 95% метана, 3% пропана и 2% бутана метановое число составляет всего 72, что, согласно определению, по силе детонации соответствует топливной смеси, состоящей из 72% метана и 28% водорода.Despite the fact that in this method it is possible to convert C ₅₊ hydrocarbons, one of the drawbacks is the lack of conversion of C ₂ -C ₄ components of associated petroleum gas having low methane numbers compared to pure methane. For example, propane and butane have methane numbers 35 and 11, respectively, and, even in small amounts mixed with methane, significantly reduce its methane number. For example, for a mixture of 95% methane, 3% propane and 2% butane, the methane number is only 72, which, by definition, by the force of detonation corresponds to a fuel mixture consisting of 72% methane and 28% hydrogen.

Кроме того известно, что большинство газопоршневых электростанций, комплектующихся приводными двигателями внутреннего сгорания (ДВС), по конструкционным материалам и условиям теплообмена рассчитаны для работы на топливном газе с низшей теплотой сгорания не более 34-36 МДж/м³. Этим значениям соответствует природный газ, состоящий в основном из метана, низшая теплота сгорания которого составляет 35,8 МДж/м³. Попутный нефтяной газ в зависимости от компонентного состава имеет низшую теплоту сгорания 42-60 МДж/м³. Например, такие С₂-С₅ компоненты как этан, этилен, ацетилен, пропан, бутан и пентан, имеют низшую теплоту сгорания 63,8; 59,1; 56,0; 91,3; 118,7; 145,12 МДж/м³, соответственно. Таким образом, проведение подготовки попутного нефтяного газа для использования в энергоустановках, сохраняющее наличие в нем даже в незначительном количестве C₁-С₅ компонент, будет приводить к значительным перегревам двигателя и падению его мощности вплоть до выхода из строя за счет прогорания клапанов и поршней, что влечет за собой дорогостоящий ремонт и увеличение эксплуатационных затрат.In addition, it is known that most gas-piston power plants equipped with internal combustion engine (ICE), according to structural materials and heat transfer conditions, are designed to operate on fuel gas with a lower calorific value of not more than 34-36 MJ / m ³ . Natural gas, which consists mainly of methane, whose net calorific value is 35.8 MJ / m ^3, corresponds to these values. Associated petroleum gas, depending on the component composition, has a lower calorific value of 42-60 MJ / m ³ . For example, C ₂ -C ₅ components such as ethane, ethylene, acetylene, propane, butane and pentane have a lower calorific value of 63.8; 59.1; 56.0; 91.3; 118.7; 145.12 MJ / m ³ , respectively. Thus, the preparation of associated petroleum gas for use in power plants, preserving the presence of even a small amount of C ₁ -C ₅ components in it, will lead to significant overheating of the engine and a drop in its power until failure due to burnout of valves and pistons, which entails costly repairs and increased operating costs.

Хорошо известно, что для экономии углеводородного топлива, снижения выбросов углекислого газа и улучшения экологических характеристик двигателя внутреннего сгорания, в особенности в режимах малых и средних нагрузок, необходимо использовать обедненную топливную смесь, т.е. при соотношении кислород/топливо (α) больше стехиометрического, причем, чем смесь будет более бедная, тем большая экономия топлива будет достигаться. Однако когда смесь становится беднее определенного уровня, обеспечить устойчивую работу двигателя становится невозможным, поскольку искра свечи зажигания перестает воспламенять такую смесь. Известно, что добавки водорода, водородсодержащих газовых смесей или синтез-газа (смеси водорода и монооксида углерода) к бедным топливным смесям, позволяют производить их воспламенение в ДВС при более высоких значениях ос, что приводит к снижению общего расхода топлива, а также уменьшает вредные выбросы СО и оксидов азота (US 6397790, F02B 43/08, 04.06.2002). Кроме этого, водород и монооксид углерода имеют низшую теплоту сгорания 10,8 и 12,6 МДж/м³, соответственно. Таким образом, их присутствие в топливной смеси, подаваемой в энергоустановку, не будет приводить к ее перегреву, способствуя сохранению заложенного производителем ресурса работы.It is well known that in order to save hydrocarbon fuel, reduce carbon dioxide emissions and improve the environmental performance of an internal combustion engine, especially in low and medium load conditions, it is necessary to use a lean fuel mixture, i.e. when the ratio of oxygen / fuel (α) is more stoichiometric, and the more lean the mixture, the greater fuel economy will be achieved. However, when the mixture becomes poorer than a certain level, it becomes impossible to ensure stable engine operation, since the spark of the spark plug ceases to ignite such a mixture. It is known that the addition of hydrogen, hydrogen-containing gas mixtures or synthesis gas (a mixture of hydrogen and carbon monoxide) to lean fuel mixtures allows them to be ignited in ICE at higher values of wastewater, which leads to a decrease in total fuel consumption and also reduces harmful emissions СО and nitrogen oxides (US 6397790, F02B 43/08, 06/04/2002). In addition, hydrogen and carbon monoxide have a lower calorific value of 10.8 and 12.6 MJ / m ³ , respectively. Thus, their presence in the fuel mixture supplied to the power plant will not lead to its overheating, contributing to the preservation of the work resource laid down by the manufacturer.

Предлагаемая полезная модель позволяет решать задачу эффективной подготовки попутных нефтяных или сырых природных газов для использования их в энергоустановках.The proposed utility model allows us to solve the problem of efficient preparation of associated petroleum or raw natural gases for use in power plants.

Задача решается благодаря использованию устройства подготовки попутных нефтяных или сырых природных газов посредством каталитической конверсии в метан. Кроме метана, в качестве продуктов конверсии могут образовываться в незначительном количестве такие газы, как водород и монооксид углерода, которые улучшают показатели экономичности работы энергоустановки и снижают вредные выбросы в атмосферу. Изменяя параметры проведения каталитической конверсии можно проводить целенаправленное регулирование количества водорода и монооксида углерода.The problem is solved through the use of a device for the preparation of associated petroleum or crude natural gases through catalytic conversion to methane. In addition to methane, gases such as hydrogen and carbon monoxide can be produced in small quantities as conversion products, which improve the efficiency of the power plant and reduce harmful emissions into the atmosphere. By changing the parameters of the catalytic conversion, it is possible to carry out targeted regulation of the amount of hydrogen and carbon monoxide.

Предлагаемое устройство подготовки каталитической конверсией попутных нефтяных или сырых природных газов для использования в энергоустановках состоит из системы запуска, системы подачи и дозирования реагентов, конвертора, теплообменников, системы управления. В конверторе установлен, по крайне мере, один слой катализатора, позволяющего при температуре не выше 450°С конвертировать в метан соединения, присутствующие в попутных нефтяных или сырых природных газах, имеющие низкую детонационную стойкость и повышающие вероятность смоло- и сажеобразования.The proposed device for the preparation of catalytic conversion of associated petroleum or raw natural gases for use in power plants consists of a start-up system, a system for supplying and dispensing reagents, a converter, heat exchangers, and a control system. At least one catalyst bed is installed in the converter, allowing at a temperature not exceeding 450 ° C to convert into methane compounds present in associated petroleum or raw natural gases, which have low knock resistance and increase the likelihood of tar and soot formation.

В конверторе расположен катализатор, в качестве активного компонента которого используют различные комбинации оксидов алюминия, кремния, переходных и редкоземельных элементов 4-6 периодов, в основном, четвертого и пятого периодов, преимущественно, Сu, Со, Ni, Fe, Cr, Mn, Ti, Zr; La, Ce, Y, Sm, Pr, Gd, и металлов платиновой группы, в основном, Pt, Pd, Rh, Ir, Ru, преимущественно, Pt, Rh, Ru.A converter is located in the converter, the active component of which is used various combinations of aluminum oxides, silicon, transition and rare-earth elements of 4-6 periods, mainly of the fourth and fifth periods, mainly Cu, Co, Ni, Fe, Cr, Mn, Ti Zr; La, Ce, Y, Sm, Pr, Gd, and platinum group metals, mainly Pt, Pd, Rh, Ir, Ru, mainly Pt, Rh, Ru.

Катализаторы, установленные в конверторе в несколько слоев, могут иметь различный или одинаковый состав.The catalysts installed in the converter in several layers can have different or the same composition.

Расположенный в конверторе катализатор, может представлять собой армированный пористый материал, выполненный в виде плоских и гофрированных газопроницаемых армированных лент, комбинации которых образуют газопроницаемые каталитически активные каналы различной формы и геометрии.The catalyst located in the converter may be a reinforced porous material made in the form of flat and corrugated gas-permeable reinforced tapes, combinations of which form gas-permeable catalytically active channels of various shapes and geometries.

Катализатор может иметь форму блоков на металлическом, керамическом или металлокерамическом носителе.The catalyst may be in the form of blocks on a metal, ceramic or cermet support.

Металлический, керамический или металлокерамический носитель для катализатора может представлять собой прямоканальный блок, в том числе микроканальный, блочный материал со сложной конфигурацией каналов и пеноматериал.The metal, ceramic or ceramic-metal support for the catalyst can be a direct channel block, including microchannel, block material with a complex configuration of channels and foam.

Катализатор может иметь вид гранул различной формы и геометрии.The catalyst may take the form of granules of various shapes and geometries.

В системе запуска предлагаемого устройства можно использовать нагреватель, например, электрический и/или пламенный нагреватель, работающий на воздухе и топливе, в том числе и на попутном нефтяном или сыром природном газе, и/или нагреватель-теплообменник, в который подается горячий теплоноситель.In the start-up system of the device according to the invention, it is possible to use a heater, for example, an electric and / or flame heater operating on air and fuel, including associated petroleum or raw natural gas, and / or a heater-heat exchanger, into which a hot heat carrier is supplied.

Система запуска, система подачи и дозирования реагентов, конвертор, теплообменники, система управления представляют собой раздельные конструкции или могут быть интегрированы друг с другом.The start-up system, the reagent supply and dosing system, the converter, the heat exchangers, the control system are separate structures or can be integrated with each other.

Нагрев или испарение реагентов, подаваемых в устройство, а также управление температурой конвертора производят при помощи электрического нагревателя или пламенного нагревателя, или за счет рекуперации тепла газов, выходящих из конвертора, или отходящих газов энергоустановки, или путем контакта с теплоносителем, или совместного их использования в любой комбинации.The heating or evaporation of the reagents supplied to the device, as well as the temperature control of the converter, is carried out using an electric heater or a flame heater, or by recovering the heat of the gases leaving the converter, or the exhaust gases of the power plant, or by contact with the coolant, or sharing them in any combination.

Конструкция системы подачи и дозирования реагентов в устройстве, позволяет, при необходимости, проводить предварительный нагрев или испарение реагентов перед подачей в систему запуска и/или конвертор.The design of the reagent supply and dosing system in the device allows, if necessary, preheating or evaporation of the reagents before being fed to the start-up system and / or converter.

Конструкция устройства, в том числе материалы, из которых выполнено устройство, позволяет проводить конверсию в присутствии кислородсодержащих соединений, например, паров воды и/или углекислого газа, и/или кислорода, и/или воздуха.The design of the device, including the materials from which the device is made, allows conversion in the presence of oxygen-containing compounds, for example, water vapor and / or carbon dioxide, and / or oxygen, and / or air.

Система подачи и дозирования реагентов в устройстве позволяет подавать кислородсодержащие соединения, например, пары воды или углекислый газ, или кислород, или воздух или любую их смесь в различном количестве на любой из слоев катализатора в конверторе.The reagent supply and dosing system in the device allows oxygen-containing compounds, for example, water vapor or carbon dioxide, or oxygen, or air, or any mixture thereof in various quantities, to be supplied to any of the catalyst layers in the converter.

Конструкция устройства позволяет проводить конверсию попутных нефтяных или сырых природных газов при давлении выше атмосферного.The design of the device allows the conversion of associated petroleum or crude natural gases at a pressure above atmospheric.

Кроме метана, продуктами конверсии могут являться, например, водород и/или монооксид углерода, и/или углекислый газ, при этом содержание водорода в продуктах конверсии можно регулировать таким образом, чтобы его количество не превышало 25 об.%, преимущественно, не превышало 3 об.%.In addition to methane, the conversion products can be, for example, hydrogen and / or carbon monoxide and / or carbon dioxide, while the hydrogen content in the conversion products can be controlled so that its amount does not exceed 25 vol.%, Mainly, does not exceed 3 about.%.

Запуск устройства производят при помощи нагревателя, например, электрического и/или пламенного нагревателя, работающего на воздухе и топливе, в том числе и на попутном нефтяном или сыром природном газе, и/или нагревателя-теплообменника в который подается теплоноситель.The start-up of the device is carried out using a heater, for example, an electric and / or flame heater, operating on air and fuel, including associated petroleum or raw natural gas, and / or a heat exchanger to which the coolant is supplied.

Перед подачей в систему запуска и/или конвертор при необходимости проводят предварительный нагрев или испарение реагентов. Нагрев или испарение реагентов, а также управление температурой конвертора может быть осуществлено при помощи электрического нагревателя или пламенного нагревателя, или за счет рекуперации тепла газов, выходящих из конвертора, или отходящих газов энергоустановки, или путем контакта с теплоносителем, или совместного их использования в любой комбинации.Before feeding into the start-up system and / or converter, if necessary, preliminary heating or evaporation of reagents is carried out. The heating or evaporation of the reagents, as well as the temperature control of the converter can be carried out using an electric heater or a flame heater, or by recovering the heat of the gases leaving the converter or the exhaust gases of the power plant, or by contact with the coolant, or sharing them in any combination .

Каталитически конвертированные попутные нефтяные или сырые природные газы могут быть использованы в различных типах энергоустановок, например, на основе двигателей внешнего и внутреннего сгорания, газовых турбинах и др.Catalytically converted associated petroleum or raw natural gases can be used in various types of power plants, for example, based on external and internal combustion engines, gas turbines, etc.

Отличительным признаком является применение в устройстве, по крайней мере, одного слоя катализатора, позволяющего при температуре не выше 450°С конвертировать в метан соединения, присутствующие в попутных нефтяных или сырых природных газах, имеющие низкую детонационную стойкость и повышающие вероятность смоло- и сажеобразования.A distinctive feature is the use in the device of at least one catalyst layer, which allows, at a temperature not exceeding 450 ° C, to convert into methane compounds present in associated petroleum or raw natural gases, which have low knock resistance and increase the likelihood of tar and soot formation.

Устройство подготовки каталитической конверсией попутных нефтяных или сырых природных газов для использования в энергоустановках кроме конвертора 8 содержит систему запуска 5, систему подачи и дозирования реагентов 2, теплообменники 4, систему управления 9 (Фиг.).A device for preparing the catalytic conversion of associated petroleum or raw natural gases for use in power plants, in addition to converter 8, includes a start-up system 5, a supply and dosing system for reagents 2, heat exchangers 4, and a control system 9 (Fig.).

Конструктивно, система запуска 5, система подачи и дозирования реагентов 2, конвертор 8, теплообменники 4 и система управления 9 могут представлять собой как отдельные части устройства, так и быть интегрированы друг с другом.Structurally, the start-up system 5, the feed and batching system of reagents 2, the converter 8, the heat exchangers 4 and the control system 9 can be either separate parts of the device or can be integrated with each other.

В качестве конвертора используется каталитический реактор, содержащий один или несколько слоев катализаторов 7, обеспечивающих конверсию попутных нефтяных или сырых природных газов до метана. Катализаторы в каталитическом реакторе могут помещаться в виде гранул различной формы и размера, блоков и пеноматериала с системой газопроницаемых каналов. Для улучшения теплопроводности катализаторы могут дополнительно наноситься на металлический, керамический или металлокерамический носитель. Этот носитель может быть сформирован в структуру, содержащую систему каналов (в том числе и микроканалов) различной геометрии и конфигурации, обеспечивающих газопроницаемость через каталитический блок.As a converter, a catalytic reactor is used, containing one or more layers of catalysts 7, which provide the conversion of associated petroleum or crude natural gases to methane. The catalysts in the catalytic reactor can be placed in the form of granules of various shapes and sizes, blocks and foam with a system of gas-permeable channels. To improve thermal conductivity, the catalysts can additionally be applied to a metal, ceramic or cermet carrier. This carrier can be formed into a structure containing a system of channels (including microchannels) of various geometries and configurations providing gas permeability through a catalytic unit.

В системе запуска 5 используют электрический нагреватель 6. При запуске разогрев конвертора может осуществляться путем пропускания электрического тока непосредственно через электропроводящие элементы катализатора. В системе запуска может быть использован пламенный нагреватель, работающий на воздухе и топливе, в том числе и на попутном нефтяном или сыром природном газе, кроме этого может применяться нагреватель-теплообменник, в который подается теплоноситель с требуемой температурой.The start-up system 5 uses an electric heater 6. At start-up, the converter can be warmed up by passing electric current directly through the electrically conductive elements of the catalyst. In the start-up system, a flame heater operating on air and fuel, including associated petroleum or raw natural gas, can be used, in addition, a heater-heat exchanger can be used, in which a coolant with the required temperature is supplied.

Нагрев или испарение реагентов, а также управление температурой конвертора производят при помощи электрического нагревателя 3 и 6. Также это может быть осуществлено с применением, например, пламенного нагревателя, за счет рекуперации тепла газов, выходящих из конвертора, рекуперации тепла отходящих газов энергоустановки, контактом с теплоносителем, или их совместной комбинацией.The heating or evaporation of the reagents, as well as the temperature control of the converter, is carried out using an electric heater 3 and 6. It can also be done using, for example, a flame heater, by recovering the heat of the gases leaving the converter, recovering the heat of the exhaust gases of the power plant, by contact with coolant, or a combination thereof.

В качестве примера, на Фиг. схематично изображено предлагаемое устройство каталитической конверсии попутных нефтяных или сырых природных газов для использования в энергоустановках в сопряжении с основными системами, обеспечивающими его функционирование.As an example, in FIG. The proposed device for the catalytic conversion of associated petroleum or raw natural gases for use in power plants in conjunction with the main systems that ensure its operation is schematically depicted.

Один из вариантов способа работы устройства заключается в следующем.One of the options for the method of operation of the device is as follows.

Для запуска устройства подготовки каталитической конверсией попутных нефтяных или сырых природных газов, попутный нефтяной газ ПНГ, и кислородсодержащие соединения 1, (например, воздух), при помощи системы подачи и дозирования 2, включающей соответствующие устройства, через электрический нагреватель 3 и теплообменник 4 подают в систему запуска 5, сочетающей в себе функции теплообменника. Для первоначального разогрева до нужной температуры конвертора 8, содержащего слои катализаторов 7, производят, например, пламенное сжигание подаваемого ПНГ. При этом, образующиеся в результате полного окисления горячие продукты реакции (углекислый газ и пары воды), проходя через теплообменник 4, могут также проводить предварительный подогрев или испарение реагентов (ПНГ и кислородсодержащих соединений). Предварительный нагрев ПНГ и кислородсодержащих соединений может проводиться не электрическим, а пламенным нагревателем 3, когда, например, часть подаваемого ПНГ сжигают, нагревая тем самым основное количество реагентов, подаваемых в систему запуска. Разогрев конвертора 8, содержащего слои катализаторов 7, может быть произведено и при помощи электрического нагревателя 6, а также любым горячим теплоносителем.To start the device for preparing the catalytic conversion of associated petroleum or raw natural gases, associated petroleum gas APG, and oxygen-containing compounds 1 (for example, air), using the supply and metering system 2, which includes the corresponding devices, through an electric heater 3 and a heat exchanger 4 serves start-up system 5, combining the functions of a heat exchanger. For the initial heating to the desired temperature of the converter 8 containing the catalyst layers 7, for example, flame combustion of the supplied APG is performed. At the same time, hot reaction products formed as a result of complete oxidation (carbon dioxide and water vapor) passing through heat exchanger 4 can also preheat or evaporate reagents (APG and oxygen-containing compounds). Preheating of APG and oxygen-containing compounds can be carried out not by an electric, but by a flame heater 3, when, for example, part of the supplied APG is burned, thereby heating the bulk of the reagents supplied to the launch system. The heating of the converter 8, containing the layers of catalysts 7, can be done using an electric heater 6, as well as any hot heat carrier.

После достижения катализатором 7 температуры, при которой возможно протекание каталитической конверсии ПНГ, например, 400°С, систему запуска 5 и конвертор 8 переводят в режим конверсии ПНГ. Для этого при помощи системы подачи и дозирования 2 ПНГ и кислородсодержащие соединения (например, пары воды) 1, предварительно нагретые в теплообменнике 4, подают в конвертор 8, где при контакте с первым слоем катализатора происходит каталитическая конверсия. Если теплообменник 4 обеспечивает достаточный предварительный нагрев ПНГ и кислородсодержащих соединений, то электрический нагреватель 3 может быть не задействован. Для оптимизации условий протекания каталитической реакции (например, поддержания заданной температуры, полноты конверсии соединений, имеющих низкую детонационную стойкость), на второй слой катализатора, подают дополнительное количество кислородсодержащих соединений. При этом температура слоев катализаторов регулируется таким образом, что по направлению движения реакционной смеси в конверторе осуществлялось понижение температуры, например, первый слой катализатора находится в изотермических условиях при температуре 350°С, а для второго слоя катализатора устанавливают градиент температуры с 350°С на входе до 250°С на выходе. Далее конвертированный попутный нефтяной газ КПНГ, состоящий преимущественно из метана и содержащий незначительные количества водорода (~5 об.%), пройдя через теплообменник 4, может быть подан в энергоустановку. При необходимости, перед подачей в энергоустановку из КПНГ можно удалить избыток неконвертированных кислородсодержащих соединений. Для поддержания оптимального температурного профиля в конверторе определенную часть КПНГ до прохождения и определенную часть КПНГ после прохождения через теплообменник 4 при помощи системы подачи и дозирования 2 пропускают через систему запуска 5, выступающей в данном случае уже в роли теплообменника. Далее КПНГ могут быть также поданы в энергоустановку. Для регулирования температуры в конверторе может быть также задействован электрический нагреватель 6. После запуска энергоустановки, на основе, например, газопоршневого двигателя внутреннего сгорания, использующей в качестве топлива КПНГ, отходящие газы энергоустановки ОГЭ могут быть также использованы для осуществления предварительного нагрева ПНГ и кислородсодержащих соединений, для регулирования температуры в конверторе 8, для чего заданное количество ОГЭ пропускают через теплообменник 4 и систему запуска 5, соответственно. Кроме этого, ОГЭ через систему подачи и дозирования 2 могут непосредственно подаваться в конвертор, выступая в качестве источника кислородсодержащих соединений, например, паров воды и углекислого газа, что способствует конверсии соединений, присутствующих в ПНГ, имеющих низкую детонационную стойкость.After the catalyst 7 reaches a temperature at which it is possible for the catalytic conversion of APG to occur, for example, 400 ° C, the start-up system 5 and converter 8 are transferred to the APG conversion mode. To do this, using the supply and metering system 2, APG and oxygen-containing compounds (for example, water vapor) 1, preheated in the heat exchanger 4, are fed to the converter 8, where, upon contact with the first catalyst bed, a catalytic conversion takes place. If the heat exchanger 4 provides sufficient preheating of the APG and oxygen-containing compounds, then the electric heater 3 may not be involved. To optimize the conditions of the catalytic reaction (for example, to maintain a given temperature, complete conversion of compounds having low detonation resistance), an additional amount of oxygen-containing compounds is fed to the second catalyst layer. In this case, the temperature of the catalyst layers is controlled in such a way that the temperature decreases in the direction of the reaction mixture in the converter, for example, the first catalyst layer is isothermal at a temperature of 350 ° C, and a temperature gradient of 350 ° C at the inlet is set for the second catalyst layer to 250 ° C at the exit. Further, the converted associated petroleum gas CNG, consisting mainly of methane and containing small amounts of hydrogen (~ 5 vol.%), Passing through the heat exchanger 4, can be fed to the power plant. If necessary, before supplying the power plant from the CNG, it is possible to remove the excess of unconverted oxygen-containing compounds. To maintain the optimum temperature profile in the converter, a certain part of the CNG before passing through and a certain part of the CNG after passing through the heat exchanger 4 is passed through the start-up system 5 through the start-up system 5, which in this case already acts as a heat exchanger. Further CNG can also be submitted to the power plant. An electric heater 6 can also be used to control the temperature in the converter. After starting the power plant, for example, based on a gas piston internal combustion engine using CNG as fuel, the exhaust gases of the OGE power plant can also be used to pre-heat APG and oxygen-containing compounds, to control the temperature in the converter 8, for which a predetermined amount of OGE is passed through a heat exchanger 4 and a start-up system 5, respectively. In addition, OGE through the supply and dosing system 2 can be directly fed to the converter, acting as a source of oxygen-containing compounds, for example, water vapor and carbon dioxide, which contributes to the conversion of compounds present in APG with low knock resistance.

В случае проведения процесса при давлении выше атмосферного, устройство может быть выполнено в более компактном исполнении и увеличена его удельная производительность по конвертированию ПНГ.In the case of the process at a pressure above atmospheric, the device can be made in a more compact design and its specific productivity for converting APG is increased.

Управление запуском и работой устройства, а также всеми сопутствующими системами производят при помощи микропроцессорной системы (системы управления) 9. Такая микропроцессорная система может работать как автономно, так и совместно с электронной системой энергоустановки.The start-up and operation of the device, as well as all related systems, are controlled using a microprocessor system (control system) 9. Such a microprocessor system can work both independently and in conjunction with an electronic power plant system.

Рассмотренный пример не показывает и не ограничивает всех возможных вариантов реализации конструкции устройства каталитической конверсии попутных нефтяных или сырых природных газов в метан.The considered example does not show and does not limit all possible options for the implementation of the design of the device for the catalytic conversion of associated petroleum or raw natural gases into methane.

Предложенное устройство позволяет эффективно проводить конвертирование попутных нефтяных или сырых природных газов в метан, удаляя имеющие низкую детонационную стойкость и повышающие вероятность смоло- и сажеобразования компоненты.The proposed device allows you to effectively convert associated petroleum or crude natural gases into methane, removing having low knock resistance and increasing the likelihood of tar and soot formation of components.

Главное достоинство устройства заключается в возможности без каких-либо существенных изменений в конструкции стандартных серийно выпускаемых энергоустановок и без создания дополнительной дорогостоящей инфраструктуры вовлечь в полезную переработку попутные газы, бесполезно сжигаемые до настоящего времени на большинстве нефтяных месторождений.The main advantage of the device is the possibility, without any significant changes in the design of standard commercially available power plants and without creating additional expensive infrastructure, to use associated gases, which have been uselessly burned to date in most oil fields, in useful processing.

Claims

1. A device for the preparation of associated petroleum or raw natural gases through catalytic conversion for use in power plants, consisting of a start-up system, a system for supplying and dispensing reagents, a converter, heat exchangers, a control system, characterized in that at least one layer is installed in the converter catalyst, allowing at a temperature not exceeding 450 ° C to convert into methane compounds present in associated petroleum or raw natural gases, having low knock resistance and increasing ie the probability smolo- and sooting.

2. The device according to claim 1, characterized in that the converter contains a catalyst, the active component of which is used various combinations of oxides of aluminum, silicon, transition and rare earth elements of 4-6 periods, mainly the fourth and fifth periods, mainly Cu, Co Ni, Fe, Cr, Mn, Ti, Zr; La, Ce, Y, Sm, Pr, Gd, and platinum group metals, mainly Pt, Pd, Rh, Ir, Ru, mainly Pt, Rh, Ru.

3. The device according to claims 1 and 2, characterized in that the catalysts installed in the converter in several layers can have different or the same composition.

4. The device according to claims 1 and 2, characterized in that the converter contains a catalyst, which is a reinforced porous material made in the form of flat and corrugated gas-permeable reinforced tapes, combinations of which form gas-permeable catalytically active channels of various shapes and geometries.

5. The device according to claims 1 and 2, characterized in that the converter has a block catalyst on a metal, ceramic or cermet carrier.

6. The device according to claims 1 and 2, characterized in that in the converter the metal, ceramic or ceramic-metal support for the catalyst is a direct channel unit, including microchannel, block material with a complex configuration of channels and foam.

7. The device according to claims 1 and 2, characterized in that the catalyst is located in the converter in the form of granules of various shapes and geometries.

8. The device according to claim 1, characterized in that the start-up system uses a heater, for example an electric and / or flame heater, operating on air and fuel, including associated petroleum or raw natural gas, and / or a heat exchanger , in which the coolant is supplied.

9. The device according to claim 1, characterized in that the start-up system, the feed and dosing system of the reagents, the converter, the heat exchangers, the control system are separate structures or can be integrated with each other.

10. The device according to claim 1, characterized in that the heating or evaporation of the reagents, as well as the temperature control of the converter, is carried out using an electric and / or flame heater, and / or due to the recovery of heat from the gases leaving the converter, and / or heat recovery flue gases of a power plant, and / or by contact with a coolant.