На данный момент все чаще в обществе ведутся дискуссии по поводу глобального потепления и его последствий. Из-за этой проблемы было внедрено новое понятие — декарбонизация. Политика декарбонизации — политика, направленная на снижение эмиссии диоксида углерода при антропогенном воздействии на окружающую среду.
Российская Федерация так же развивает политику декарбонизации, не отказываясь от традиционного топлива (в первую очередь газа). При нефтегазодобыче производятся мероприятия, предотвращающие активные выбросы [1].
Крупные «игроки» нефтегазового рынка уже задумываются о путях решения данной проблемы и внедряют новые технологии для улучшения/«очищения» старых процессов. Распространенными технологиями переработки СО 2 являются:
—Захват и сохранение углекислого газа (декарбонизация) — захват и сжигание диоксида углерода. Данная технология не является экологичной.
—Закачивание в пласт — выделяемый в процессе бурения СО 2 закачивают обратно в пласт для повышения нефтеотдачи. Минусом данной технологии является прямая зависимость от геологических условий. Альтернативным решением данной проблемы может выступить утилизация попутного газа.
Ключевые слова: глобальное потепление, выбросы СО 2 , утилизация, фотосинтез, переработка, топливо, декарбонизация.
Как известно, существует нерешенная проблема нефтегазовой отрасли — это сжигание попутного газа, последствием которого является выброс углекислого газа (СО 2 ) в атмосферу. По прогнозам Метеорологического бюро, ожидалось, что в 2021 году концентрация диоксида углерода в атмосфере в очередной раз значительно возрастет, и ожидания оправдались: выбросы превзошли объемы предшествующие временам пандемии.
Рис. 1. Добыча ПНГ и природного газа в РФ за последние 10 лет
Потребовалось более 200 лет, чтобы уровень СО 2 повысился на 25 % в 1990 г, но теперь, чуть более 30 лет спустя, мы приближаемся к увеличению на 50 %. Чтобы повернуть вспять эту тенденцию и замедлить рост выбросов CO 2 в атмосфере, необходимо сократить глобальные выбросы. Это должно произойти в ближайшие 40 лет или около того, если глобальное потепление будет ограничено 1,5 °C [2].
Рис. 2. Эмиссия диоксида углерода за последний год
Как уже говорилось ранее, существующие попытки утилизации диоксида углерода являются не эффективными. Рассмотрим основные из них.
Переработка ПНГ. Под переработкой природных газов понимается совокупность технологических процессов физического, физико-химического и химического преобразования природного и попутного нефтяного газа в продукты переработки (товарную продукцию с высокой добавочной стоимостью) [4]. Еще одним недостатком данной технологии можно считать возможную необходимость строительства дополнительных газоперекачивающих станций. Данная разработка хорошо применима на суше, поблизости с населенными пунктами и местами переработки, это создает определенные рамки, которые затрудняют пользоваться данной технологией, к примеру в зонах Арктики.
Выработка электроэнергии — высокое содержание углеводородных цепочек в ПНГ обуславливает его применение в качестве топлива. При этом возможно применение газа как для приводов газокомпрессорного оборудования, так и для выработки электроэнергии на собственные нужды с применением газотурбинных или газопоршневых установок. [5] Для крупных месторождений со значительным дебитом ПНГ целесообразна организация электростанций с выдачей электроэнергии в региональные сети электроснабжения.
К недостаткам этого направления можно отнести жесткие требования широко распространенных традиционных ГТЭС и ГПЭС к составу топлива (содержание сероводорода не выше 0,1 %), что требует увеличенных затрат на применение систем газоочистки и эксплуатационных затрат на техническое обслуживание оборудования. Выдача электроэнергии во внешние электросети невозможна на отдаленных месторождениях по причине отсутствия внешней энергетической инфраструктуры.
Переработка ПНГ методом Фишера — Тропша. Это многостадийный, долговременный и сложный процесс. Первоначально, из попутного нефтяного газа окислением при высокой температуре получают смесь CO и H 2 , из которого вырабатывают метанол или синтетические углеводороды, используемые для производства моторного топлива. Недостаток направления — высокие капитальные и эксплуатационные затраты.
В связи с вышеперечисленными обстоятельствами предлагается установка, которая включает в себя систему искусственного фотосинтеза, по восстановлению CO 2 до CO под действием света и металлических катализаторов с выделением кислорода. Ключевым продуктом будет являться капсула, которая осуществляет процесс искусственного фотосинтеза на нефтегазодобывающих месторождениях. В изделие будет подаваться диоксид углерода, сепарируемый из попутного нефтяного газа, и капсула будет накапливать его в виде иона СО в анионообменной смоле (основной элемент мембраны).
Предполагается размещать капсулы, исходя из существующих технологий первичной переработки ПНГ. После проведения через систему сепарации и прохождение через компрессорные блоки, углекислый газ сжигают. Однако, предлагается рассмотреть вариант его переработки или утилизации.
Установка состоит из нескольких последовательно расположенных блоков, которые будут отвечать за определенный этап переработки попутного нефтяного газа.
Рис. 3. Установка по переработке ПНГ
Первым этапом будет являться разделение ПНГ на базовые компоненты. Фракционирование ПНГ осуществляется на газовой установке путем нагрева смешанного потока и его обработки через серию мембранных установок. При фракционировании используются преимущества различных температур кипения различных мембран. Когда поток газа нагревается, самый легкий компонент газовой смеси сначала выкипает и отделяется. Верхний пар конденсируется, часть используется в качестве рефлюкса, а оставшаяся часть направляется на хранение продукта в отдельный блок, отвечающий за аккумулирование ценных газовых составляющих. Более тяжелая жидкая смесь в нижней части первой колонны направляется далее, сквозь следующую мембрану, где процесс повторяется, и в качестве продукта отделяется другой компонент газовой смеси. Этот процесс повторяется до тех пор, пока ПНГ не будет разделен на отдельные компоненты и не распределен по местам хранения ценных углеводородов. Таким образом, сорбция углеводородов в полимерную матрицу направляется соотношением температур кипения отделяемых компонентов.
Рис. 4. Отделение ПНГ от углекислого газа
Высокоэффективные неорганические мембраны находят подходящее применение при разделении смесей углеводородов, так как цеолиты обеспечивают идеальные условия сопротивления для разделения органических молекул благодаря их преимущественной адсорбции, преимущественной диффузии или чистому молекулярному просеиванию.
После разделения ПНГ на несколько составляющих, ценные компоненты отправляются на хранение в специально отведенные для этого блоки, а СО 2 направляется либо в нагнетательные скважины, где под идентичным пластовому давлением подается газ для повышения нефтеотдачи, либо направляется в блок по переработке углекислого газа и производству собственного биотоплива. Все напрямую зависит от геологических условий и нефтеотдачи пласта.
В случае, если закачка в нагнетательные скважины не требуется, диоксид углерода пропускают сквозь капсулу с мембраной и металлическими катализаторами.
Капсула имеет цилиндрическую форму, в нее внедрено несколько мембран, которые состоят и HFM материала, анионообменной смолы и катализаторов. HFM материал является связующим и вмещающим материалом. Помимо вышеперечисленных компонентов для направления и ускорения реакции требуется постоянная подача воды для смачивания мембраны.
Рис. 5. Капсула по переработке углекислого газа
Основные технические характеристики разработки:
- Ожидаемый КПД процесса искусственного фотосинтеза — 14 %.
- Переработка СО 2 в сутки — 0,4 т.
- Эффективность в 5 раз выше, чем фотосинтеза растений.
- Снижение концентрации СО 2 в сутки на 10 % на территории в радиусе 100 метров при площадных условиях размером 1,7×0,2 метра.
При этом, принимая форму капсулы, мембрана будет оснащена необходимым количеством металлических катализаторов, ускоряющих реакцию, доводя реакцию до частоты оборота 58,3 в секунду. Катализаторы должны быть в виде сплава из следующих металлов: молибден, вольфрам, ванадий, ниобий и тантал — вместе с серой в качестве халькогена.
Процесс очищения мембраны от СО будет производиться путем химической реакции. Выше капсулы будут находиться реагенты, которые благодаря специальным датчикам автоматизировано будут подаваться на мембрану. При срабатывании датчиков, срабатывает рычаг, спуская реагенты.
Рис. 6. Утилизация СО из мембраны
Исходя из всей статьи, стоит понимать, что проблема экологии будет затрагивать наше общество еще огромное количество лет. При этом, стоит отметить, что проблемы и их последствия, которые могут стать необратимыми, необходимо решать уже сейчас. Данная разработка нацелена на сдерживание и сохранение современной экологической ситуации и является довольно актуальной и важной не только в нефтегазовой сфере. Технологию переработки углекислого газа в последующем будет возможно применять повсеместно.
Литература:
- Меры по борьбе с изменением климата [Электронный ресурс] — Режим доступа: https://www.un.org/sustainabledevelopment/ru/climate-change/
- Об особенностях исчисления платы за негативное воздействие на окружающую среду при выбросах в атмосферный воздух загрязняющих веществ, образующихся при сжигании на факельных установках и/или рассеивании попутного нефтяного газа: постановление Правительства Рос. Федерации от 8 ноября 2012 г. № 1148 // Собр. законодательства Рос. Федерации. — 2012. — № 1148. — Ст. 16.3. п. 13.
- Росэкспертиза Проблемы использования попутного нефтяного газа в России (http://rostehexpertiza.ru/analytics/png/)
- Сведения о загрязнении атмосферы [Электронный ресурс] // Global Carbon Atlas — Режим доступа: http://www.globalcarbonatlas.org/ru/CO2-emissions
- Сланцевые углеводороды, технологии добычи, экологические угрозы», В. В. Тетельмин, В. А. Язев, А. А. Соловьев, Долгопрудный: Издательский Дом «ИНТЕЛЛЕКТ», 2014. — 296 с.Глава 9 п. 9.6 на стр.256
- Превращение CO 2 в CO. Разработка мембраны из анионообменной смолы / А,М. Машкова и др. — Текст: электронный // Neftegaz.RU: [сайт]. — URL: https://magazine.neftegaz.ru/articles/pererabotka/725887-prevrashchenie-co2-v-co-razrabotka-membrany-iz-anionoobmennoy-smoly-/???history=2&pfid=1&sample=5&ref=0 (дата обращения: 20.12.2022).
