Помощь студентам в учебе
ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ТЕХНОЛОГИИ СЕКВЕСТРАЦИИ УГЛЕКИСЛОГО ГАЗА ИЗ ДЫМОВЫХ ГАЗОВ ГТЭС С ПРИМЕНЕНИЕМ АМИНОВ
|
РЕФЕРАТ 7
Запланированные результаты обучения 2
ЗАДАНИЕ 4
КАЛЕНДАРНЫЙ РЕЙТИНГ-ПЛАН 6
РЕФЕРАТ 7
СОКРАЩЕНИЯ 11
ВВЕДЕНИЕ 12
1 ОСНОВНОЙ РАЗДЕЛ 15
1.1 Обзор литературы 15
1.1.1 Общие сведения о проектах CCUS 15
1.1.2 Улавливание СО2 из дымовых газов 18
1.1.3 Подготовка СО2 22
1.1.4 Транспорт СО2 23
1.1.5 Утилизация СО2 25
1.1.5.1 Утилизация СО2 в нефтегазовой отрасли 26
1.1.5.2 Использование СО2 в промышленности 31
1.2 Описание схемы хемосорбционной очистки дымовых газов от диоксида
углерода 33
1.3 Обоснование выбора амина 37
1.4 Обсуждение методов и результатов исследования 42
1.5 Обоснование достоверности результатов исследования 52
2 АВТОМАТИЗАЦИЯ И УПРАВЛЕНИЕ ПРОЦЕССОМ ПОДДЕРЖАНИЯ
ЗАДАННЫХ ПАРАМЕТРОВ РАБОТЫ УСТАНОВКИ 54
3 ФИНАНСОВЫЙ МЕНЕДЖМЕНТ, РЕСУРСОЭФФЕКТИВНОСТЬ И
РЕСУРСОСБЕРЕЖЕНИЕ 63
3.1 Потенциальные потребители результатов исследования 63
3.2 Анализ конкурентных технических решений 64
3.3 Диаграмма Исикавы 66
3.4 Выбор метода коммерциализации 68
3.5 Цели и результаты проекта 68
3.6 Организационная структура проекта 70
3.7 Иерархическая структура проекта 71
3.8 Диаграмма Ганта 71
3.9 Расчет эффективности проекта 72
4 СОЦИАЛЬНАЯ ОТВЕТСТВЕННОСТЬ 75
4.1 Правовые и организационные вопросы обеспечения безопасности при
разработке проектного решения 75
4.2 Производственная безопасность при разработке проектного решения 78
4.3 Экологическая безопасность при разработке проектного решения 84
4.4 Безопасность в чрезвычайных ситуациях при разработке проектного решения 84
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 87
Список публикаций 89
Список используемых источников 90
Приложение A 95
Запланированные результаты обучения 2
ЗАДАНИЕ 4
КАЛЕНДАРНЫЙ РЕЙТИНГ-ПЛАН 6
РЕФЕРАТ 7
СОКРАЩЕНИЯ 11
ВВЕДЕНИЕ 12
1 ОСНОВНОЙ РАЗДЕЛ 15
1.1 Обзор литературы 15
1.1.1 Общие сведения о проектах CCUS 15
1.1.2 Улавливание СО2 из дымовых газов 18
1.1.3 Подготовка СО2 22
1.1.4 Транспорт СО2 23
1.1.5 Утилизация СО2 25
1.1.5.1 Утилизация СО2 в нефтегазовой отрасли 26
1.1.5.2 Использование СО2 в промышленности 31
1.2 Описание схемы хемосорбционной очистки дымовых газов от диоксида
углерода 33
1.3 Обоснование выбора амина 37
1.4 Обсуждение методов и результатов исследования 42
1.5 Обоснование достоверности результатов исследования 52
2 АВТОМАТИЗАЦИЯ И УПРАВЛЕНИЕ ПРОЦЕССОМ ПОДДЕРЖАНИЯ
ЗАДАННЫХ ПАРАМЕТРОВ РАБОТЫ УСТАНОВКИ 54
3 ФИНАНСОВЫЙ МЕНЕДЖМЕНТ, РЕСУРСОЭФФЕКТИВНОСТЬ И
РЕСУРСОСБЕРЕЖЕНИЕ 63
3.1 Потенциальные потребители результатов исследования 63
3.2 Анализ конкурентных технических решений 64
3.3 Диаграмма Исикавы 66
3.4 Выбор метода коммерциализации 68
3.5 Цели и результаты проекта 68
3.6 Организационная структура проекта 70
3.7 Иерархическая структура проекта 71
3.8 Диаграмма Ганта 71
3.9 Расчет эффективности проекта 72
4 СОЦИАЛЬНАЯ ОТВЕТСТВЕННОСТЬ 75
4.1 Правовые и организационные вопросы обеспечения безопасности при
разработке проектного решения 75
4.2 Производственная безопасность при разработке проектного решения 78
4.3 Экологическая безопасность при разработке проектного решения 84
4.4 Безопасность в чрезвычайных ситуациях при разработке проектного решения 84
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 87
Список публикаций 89
Список используемых источников 90
Приложение A 95
После выхода Федерального закона № 296-ФЗ от 01.06.2021 «Об ограничении выбросов парниковых газов» [1] и подписания Россией 22 апреля 2016 года Парижского соглашения по климату [2] задача декарбонизации и «углеродной нейтральности» стала актуальной для крупных промышленных компаний. Указ президента РФ № 666 от 4.10.2020 г. [3] обязал все социально-экономические отрасли страны обеспечить сокращение к 2030 г. эмиссии парниковых газов на 70 % по сравнению с 1990 г., а также разработать Стратегии «низкоуглеродного» развития предприятий до 2050 г.
Диоксид углерода (химическая формула СО2) - в нормальных условиях бесцветный газ, при малых концентрация без запаха, при больших - имеет характерный кисловатый запах газированной воды. Известно, что углекислый газ способен накапливаться в атмосфере, вызывая парниковый эффект, который в свою очередь приводит к глобальному изменению климата всей планеты. В 2020 году атмосферный углекислый газ впервые за долгое время достиг рекордной концентрации, которая составила 417,1 см3/м3 [4].
Прогнозируется, что к концу столетия концентрация углекислого газа может удвоиться [5].
Одним из основных источников выбросов углекислого газа в атмосферу считается сжигание природных видов топлив с целью промышленной выработки электрической энергии [6]. В этой связи, добывающие нефтяные компании, утилизирующие попутный нефтяной газ на факельных установках или на местных газотурбинных электростанциях для выработки электроэнергии на собственные нужды вынуждены проводить поиск эффективных технологий извлечения (секвестрации) СО2 из дымовых газов, оценивать возможности адаптации известных методов очистки природных газов от кислых компонентов для селективного извлечения диоксида углерода из дымовых газов .
В настоящее время ПАО «НК «Роснефть» сформирована Стратегия развития до 2050 г., в которую вошли положения о снижении выбросов углекислого газа в атмосферу земли к 2030 г. и достижения полной «углеродной нейтральности» производства к 2050 г.
Существуют различные способы очистки природных газов от кислых компонентов, широко применяемые при подготовке к переработке и транспорту. В [ 7] достаточно подробно описаны преимущества и недостатки каждого процесса, ограничения по применению и другие особенности. Однако, все известные технологии очистки применимы для углеводородных газов до сжигания, сравнимым по составам, температуре и давлению с природными и попутными газами. Менее изученной является задача очистки газов от СО2 после их сжигания.
Дымовые газы имеют состав, отличный от состава ПГ и ПНГ. В них преимущественно содержатся компоненты N2, O2, CO2, Н2О. Кроме этого, дымовые газы имеют достаточно высокую температуру (порядка 120-180 °С даже после котлов- утилизаторов) и близкое к атмосферному давление. Эти особенности накладывают ограничения на применение отработанных годами технологий подготовки газов.
По некоторым данным [8] процесс улавливания диоксида углерода является самой капиталоемкой частью проекта по декарбонизации дымовых газов, на нее приходится около 2/3 всех инвестиций. В связи с этим имеет смысл сконцентрировать внимание на поиске способов повышения эффективности доступных технологий извлечения СО2 из дымовых газов.
Целью работы является поиск возможностей повышения энергетической эффективности процесса секвестрации СО2 с применением аминов и снижении капиталоёмкости проекта с обеспечением степени извлечения СО2 из дымовых газов не менее 90 %.
Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи:
1. Моделирование схемы аминовой очистки с применением специализированного ПО Aspen Hysys.
2. Проведение модельных исследований влияния характеристик входного потока дымовых газов (температура, давление, концентрация СО2) на процесс взаимодействия амина с двуокисью углерода в абсорбере.
3. Установление оптимальных параметров эксплуатации установки, позволяющих минимизировать капитальные и эксплуатационные затраты производства при обеспечении заданной степени извлечения СО2 из дымовых газов не менее 90 %.
4. Формулирование практических рекомендаций по режиму эксплуатации установки аминовой очистки.
5. Разработка схемы автоматизации колонны абсорбера, предназначенной для эффективного взаимодействия амина с диоксидом углерода.
6. Оценка эффективности проекта и социальной ответственности.
Объектом исследования является установка аминовой очистки дымовых газов от диоксида углерода.
Предмет исследования: влияние термодинамических характеристик входного потока и концентрации СО2 в дымовых газах на эффективность протекания процесса взаимодействия аминов с углекислым газом.
Новизна работы заключается в применении и попытке адаптации классической технологии аминовой очистки для нестандартных составов и термодинамических условий 13
газовых потоков с учетом критериев энергетической эффективности, снижения стоимости проекта и высокой степени извлечения СО2. В работе показано, что при поддержании рекомендуемых параметров эксплуатации установки возможно добиться заданной степени извлечения СО2 из дымовых газов и существенного сокращения эксплуатационных затрат преимущественно за счет снижения расхода амина по сравнению с вариантом эксплуатации без настройки входных параметров потока. В настоящее время в России не реализовано ни одного проекта по улавливанию диоксида углерода из дымовых газов, отсутствуют апробированные способы снижения выбросов СО2 в атмосферу. В связи с чем на фоне актуальности поставленной задачи, необходимо понимание возможности повышения эффективности процессов декарбонизации антропогенных выбросов.
Практическая значимость работы:
В работе даны практические рекомендации по настройке режима работы установки аминовой очистки, обеспечивающего заданную степень извлечения СО2 из дымовых газов и минимальные энергетические затраты на предварительную подготовку дымовых газов и регенерацию амина.
Практическая значимость работы подтверждается интересом Компании Роснефть к проектам по декарбонизации выбросов с целью исполнения федерального закона № 296- ФЗ от 01.06.2021.
Апробация работы:
Полученные результаты работы были представлены на конференциях «НК «Роснефть»: V Научно-технической конференции «Экологическая безопасность. Актуальные вопросы правоприменительной практики и совершенствование деятельности в сфере охраны окружающей среды», г. Самара, 20-24 июня 2022 г. и V Научно-технической конференции «Технологии обустройства нефтяных, газовых и газоконденсатных месторождений», г. Томск, 20-21 сентября 2022 г., а также положены в основу
разрабатываемых положений по декарбонизации дымовых газов в проектах АО «ТомскНИПИнефть».
По результатам исследования опубликовано 3 научных работы, перечень которых приведен в разделе «Список публикаций» настоящей выпускной квалификационной работы
Диоксид углерода (химическая формула СО2) - в нормальных условиях бесцветный газ, при малых концентрация без запаха, при больших - имеет характерный кисловатый запах газированной воды. Известно, что углекислый газ способен накапливаться в атмосфере, вызывая парниковый эффект, который в свою очередь приводит к глобальному изменению климата всей планеты. В 2020 году атмосферный углекислый газ впервые за долгое время достиг рекордной концентрации, которая составила 417,1 см3/м3 [4].
Прогнозируется, что к концу столетия концентрация углекислого газа может удвоиться [5].
Одним из основных источников выбросов углекислого газа в атмосферу считается сжигание природных видов топлив с целью промышленной выработки электрической энергии [6]. В этой связи, добывающие нефтяные компании, утилизирующие попутный нефтяной газ на факельных установках или на местных газотурбинных электростанциях для выработки электроэнергии на собственные нужды вынуждены проводить поиск эффективных технологий извлечения (секвестрации) СО2 из дымовых газов, оценивать возможности адаптации известных методов очистки природных газов от кислых компонентов для селективного извлечения диоксида углерода из дымовых газов .
В настоящее время ПАО «НК «Роснефть» сформирована Стратегия развития до 2050 г., в которую вошли положения о снижении выбросов углекислого газа в атмосферу земли к 2030 г. и достижения полной «углеродной нейтральности» производства к 2050 г.
Существуют различные способы очистки природных газов от кислых компонентов, широко применяемые при подготовке к переработке и транспорту. В [ 7] достаточно подробно описаны преимущества и недостатки каждого процесса, ограничения по применению и другие особенности. Однако, все известные технологии очистки применимы для углеводородных газов до сжигания, сравнимым по составам, температуре и давлению с природными и попутными газами. Менее изученной является задача очистки газов от СО2 после их сжигания.
Дымовые газы имеют состав, отличный от состава ПГ и ПНГ. В них преимущественно содержатся компоненты N2, O2, CO2, Н2О. Кроме этого, дымовые газы имеют достаточно высокую температуру (порядка 120-180 °С даже после котлов- утилизаторов) и близкое к атмосферному давление. Эти особенности накладывают ограничения на применение отработанных годами технологий подготовки газов.
По некоторым данным [8] процесс улавливания диоксида углерода является самой капиталоемкой частью проекта по декарбонизации дымовых газов, на нее приходится около 2/3 всех инвестиций. В связи с этим имеет смысл сконцентрировать внимание на поиске способов повышения эффективности доступных технологий извлечения СО2 из дымовых газов.
Целью работы является поиск возможностей повышения энергетической эффективности процесса секвестрации СО2 с применением аминов и снижении капиталоёмкости проекта с обеспечением степени извлечения СО2 из дымовых газов не менее 90 %.
Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи:
1. Моделирование схемы аминовой очистки с применением специализированного ПО Aspen Hysys.
2. Проведение модельных исследований влияния характеристик входного потока дымовых газов (температура, давление, концентрация СО2) на процесс взаимодействия амина с двуокисью углерода в абсорбере.
3. Установление оптимальных параметров эксплуатации установки, позволяющих минимизировать капитальные и эксплуатационные затраты производства при обеспечении заданной степени извлечения СО2 из дымовых газов не менее 90 %.
4. Формулирование практических рекомендаций по режиму эксплуатации установки аминовой очистки.
5. Разработка схемы автоматизации колонны абсорбера, предназначенной для эффективного взаимодействия амина с диоксидом углерода.
6. Оценка эффективности проекта и социальной ответственности.
Объектом исследования является установка аминовой очистки дымовых газов от диоксида углерода.
Предмет исследования: влияние термодинамических характеристик входного потока и концентрации СО2 в дымовых газах на эффективность протекания процесса взаимодействия аминов с углекислым газом.
Новизна работы заключается в применении и попытке адаптации классической технологии аминовой очистки для нестандартных составов и термодинамических условий 13
газовых потоков с учетом критериев энергетической эффективности, снижения стоимости проекта и высокой степени извлечения СО2. В работе показано, что при поддержании рекомендуемых параметров эксплуатации установки возможно добиться заданной степени извлечения СО2 из дымовых газов и существенного сокращения эксплуатационных затрат преимущественно за счет снижения расхода амина по сравнению с вариантом эксплуатации без настройки входных параметров потока. В настоящее время в России не реализовано ни одного проекта по улавливанию диоксида углерода из дымовых газов, отсутствуют апробированные способы снижения выбросов СО2 в атмосферу. В связи с чем на фоне актуальности поставленной задачи, необходимо понимание возможности повышения эффективности процессов декарбонизации антропогенных выбросов.
Практическая значимость работы:
В работе даны практические рекомендации по настройке режима работы установки аминовой очистки, обеспечивающего заданную степень извлечения СО2 из дымовых газов и минимальные энергетические затраты на предварительную подготовку дымовых газов и регенерацию амина.
Практическая значимость работы подтверждается интересом Компании Роснефть к проектам по декарбонизации выбросов с целью исполнения федерального закона № 296- ФЗ от 01.06.2021.
Апробация работы:
Полученные результаты работы были представлены на конференциях «НК «Роснефть»: V Научно-технической конференции «Экологическая безопасность. Актуальные вопросы правоприменительной практики и совершенствование деятельности в сфере охраны окружающей среды», г. Самара, 20-24 июня 2022 г. и V Научно-технической конференции «Технологии обустройства нефтяных, газовых и газоконденсатных месторождений», г. Томск, 20-21 сентября 2022 г., а также положены в основу
разрабатываемых положений по декарбонизации дымовых газов в проектах АО «ТомскНИПИнефть».
По результатам исследования опубликовано 3 научных работы, перечень которых приведен в разделе «Список публикаций» настоящей выпускной квалификационной работы
В России проекты CCUS, направленные на улавливание и утилизацию/ геологическое захоронение диоксида углерода, на сегодняшний день находятся на стадии исследования, нет опыта промышленной реализации такого проекта. Учитывая высокую стоимость разработки и внедрения подобных решений, а также фактическое отсутствие доходной части необходимо проводить модельные исследования по выявлению возможностей снижения капитальных и эксплуатационных затрат. Особо стоит сконцентрировать внимание на установке улавливания углекислого газа, т.к. стоимость процесса секвестрации СО2 может составлять до % всей стоимости проекта.
В результате проведенных исследований на разработанной модели в ПО Aspen Hysys были установлены следующие основные характеристики подготовки входного потока дымовых газов перед абсорбером:
1) давление дымовых газов на уровне атмосферного, без предварительного компримирования после котлов-утилизаторов или ГТЭС,
2) температура дымовых газов перед абсорбером не выше 45 °С, с применением предварительного охлаждения в АВО,
3) состав исходного потока дымовых газов - без изменений (в случае отсутствия внешнего источника диоксида углерода).
Полученные значения характеристик потока дымовых газов позволяют сократить эксплуатационные расходы на процесс извлечения диоксида углерода, тем самым снизить общую стоимость установки аминовой очистки.
Проведение исследований на модели позволяет оценить приблизительную капиталоемкость проекта, энергетические и эксплуатационные затраты на установку. Подобные исследования наиболее актуальны на стадии концептуальной проработки технических вопросов, когда важно принять взвешенное решения по реализации проекта.
Основные недостатки модельных исследований, которые следует отметить, - достаточно идеализированные условия тепломассообмена в колонне, использование различных корреляций для описания процесса взаимодействия амина с газами.
Сложность проектирования установок аминовой очистки для извлечения диоксида углерода из дымовых газов заключается, во-первых, в том, что нет отечественных аналогов, во-вторых, процесс сильно зависит от исходного состава дымовых газов, концентрации СО2 и О2, входного давления и температуры процесса абсорбции, типа амина, поэтому отсутствует возможность масштабирования технологии на разные объемы и объекты. Каждый проект уникален. В связи с этим разработка и настройка схемы аминовой очистки производится отдельно под каждый конкретный случай с учетом всех особенностей и параметров исходного потока дымовых газов.
В результате проведенных исследований на разработанной модели в ПО Aspen Hysys были установлены следующие основные характеристики подготовки входного потока дымовых газов перед абсорбером:
1) давление дымовых газов на уровне атмосферного, без предварительного компримирования после котлов-утилизаторов или ГТЭС,
2) температура дымовых газов перед абсорбером не выше 45 °С, с применением предварительного охлаждения в АВО,
3) состав исходного потока дымовых газов - без изменений (в случае отсутствия внешнего источника диоксида углерода).
Полученные значения характеристик потока дымовых газов позволяют сократить эксплуатационные расходы на процесс извлечения диоксида углерода, тем самым снизить общую стоимость установки аминовой очистки.
Проведение исследований на модели позволяет оценить приблизительную капиталоемкость проекта, энергетические и эксплуатационные затраты на установку. Подобные исследования наиболее актуальны на стадии концептуальной проработки технических вопросов, когда важно принять взвешенное решения по реализации проекта.
Основные недостатки модельных исследований, которые следует отметить, - достаточно идеализированные условия тепломассообмена в колонне, использование различных корреляций для описания процесса взаимодействия амина с газами.
Сложность проектирования установок аминовой очистки для извлечения диоксида углерода из дымовых газов заключается, во-первых, в том, что нет отечественных аналогов, во-вторых, процесс сильно зависит от исходного состава дымовых газов, концентрации СО2 и О2, входного давления и температуры процесса абсорбции, типа амина, поэтому отсутствует возможность масштабирования технологии на разные объемы и объекты. Каждый проект уникален. В связи с этим разработка и настройка схемы аминовой очистки производится отдельно под каждый конкретный случай с учетом всех особенностей и параметров исходного потока дымовых газов.
