Как наши ученые делили газ

Инновационный проект «Устройства для разделения углеводородной газовой смеси на компоненты с заданными свойствами методом конвективной диффузии», подготовленный учеными Атырауского университета нефти и газа в сотрудничестве с другими казахстанскими учеными, обещает стать интересным в национальном павильоне «Казахстан» на ЭКСПО-2017.

О том, что собой представляет проект, мы решили поговорить с доктором физико-математических наук, профессором Атырауского университета нефти и газа Дюсембеком Кульжановым и доктором физико-математических наук, профессором Казахского Национального Педагогического Университета имени Абая, чл.-корр. НАН РК Владимиром Косовым.

Различные эксперты пророчат, что к середине нынешнего, ХХI века, доля ископаемых компонентов в общем энергобалансе существенно не изменится…

В.К.: Для начала хочу заметить, что нефть и газ остаются и будут оставаться важнейшим компонентом глобальной энергетики. В конце ХХ века доля ископаемых видов топлива составляла приблизительно 80 процентов мирового энергобаланса.

Да, прогнозы различных экспертов показывают, что и к середине ХХI века доля ископаемых компонентов в общем энергобалансе существенно не изменится. Вместе с тем добыча «черного золота» на месторождениях возрастает, что приводит к увеличению негативного воздействия этого энергоносителя на окружающую среду. Для уменьшения экологической нагрузки необходимо переходить на более чистые виды ископаемого топлива и на возобновляемые источники энергии. В этом случае на передний план выходит природный газ, более низкоуглеродистое топливо, чем нефть, практически полностью сгорающее в технологических устройствах и гармонично дополняющее альтернативные источники энергии.

Однако использование природного газа в традиционных энергетических комплексах само по себе не приводит к кардинальным изменениям по снижению экологических рисков и развития зеленой энергетики. Необходимо разумное сочетание энергоэффективности традиционных подходов, связанных с ископаемыми ресурсами, «умных» технологий, осуществляющих прогноз и мониторинг потребляемой энергии, и ее возобновляемых источников.

— А что нужно сделать, чтобы снизить экологические риски при добыче, транспортировке, переработке и использовании углеводородного сырья?

Д.К.: Рост мировой экономики в основном определяется экстенсивными подходами. Глобальная энергетика не является исключением. Для снижения экологических рисков нельзя в один момент отказаться от ископаемых источников энергии, иначе наступит коллапс. Необходимо разумное сочетание традиционных подходов, которые для газового сектора, прежде всего, связаны с увеличением объемов добычи, с повышением энергоэффективности действующих технологических комплексов. Необходимо развивать подходы, связанные с прогнозируемой выработкой энергии на основе создания «умных» сетей и технологий. Наконец развивать альтернативную энергетику, основанную на возобновляемых источниках.

То есть низкая энергоэффективность является одной из основных причин экстенсивного подхода в углеводородном секторе.

Мы теряем слишком много энергии

Низкая энергоэффективность — это потеря уже выработанной энергии, на которую были затрачены человеческие и материальные ресурсы. Потенциал энергосбережения в Республике Казахстан низок и не превышает 30 процентов. Иначе говоря, мы теряем столько энергии, сколько потребляет, например, отдельно взятая страна из Восточной Европы. Поэтому крайне необходимо развивать технологии, связанные с освоением нетрадиционных ресурсов газа, способствующих его глубокой переработке.

— На ваш взгляд как это можно осуществить?

Д.К.: Прежде всего, нужно создать  такие технологии, которые, гармонично сочетаясь с уже действующими, способны раскрыть дополнительные источники в переработке природного газа, при этом снижая экологические риски.

— Представленный на экспозицию ЭКСПО-2017 ваш инновационный проект, по-видимому, связан с такими подходами?

Д.К.: Нашими учеными последние десять лет изучался эффект приоритетного разделения компонентов углеводородной смеси с заданными свойствами при конвективном смешении. Эффект проявляется в процессе взаимодействия различающихся по составу восходящих и нисходящих потоков в вертикальных каналах. Конвективная диффузия приводит к перераспределению концентрационных полей в поперечном сечении. Возникают особые режимы течений, формирующие преимущественный перенос самых тяжелых по плотности и экологически опасных компонентов смеси. Задавая расходы газов и комплекс теплофизических параметров, можно управлять разделением. Проведенные испытания показали, что коэффициент отделения тяжелых и экологически опасных компонентов только на начальной стадии разделения в газовой фазе составляет 50 процентов и более от исходного состава.

— Каким образом полученные результаты можно применить в практических условиях?

В.К.: Для максимального проявления эффекта переноса компонента с заданными свойствами применяется новое техническое решение, приводящее к мультипликативному разделению. Вместо традиционной разделительной колонны используется проточное устройство типа моста, транспортные магистрали которого соединены вертикальными каналами. По ним подается разделяемая смесь и технологический газ. Технологический газ подбирается таким образом, чтобы его плотность и диффузионная подвижность занимала промежуточные значения в сравнении с компонентами углеводородной смеси. Задавая расходы газов в каналах, можно сформировать условия для селективного переноса самых тяжелых по плотности и экологически опасных компонентов смеси, которые поступают в нижний газовод, смешиваются с технологическим газом и затем удаляются через специальные устройства для дальнейшей утилизации. Коэффициент отделения тяжелых компонентов смеси газа составляет 40-50 процентов от исходного состава. Эффективность разделения можно значительно повысить, увеличивая число ступеней (устройств). В этом случае величина разделения может достигать 90 и более процентов.

Кроме того, отметим, что проведенный патентный поиск по таким странам, как Казахстан (KZ), Россия (RU), Германия (DE), США (US), Франция (FR), Великобритания (GB), Япония (JP), Канада (CA), Малайзия (MY), позволяет сделать вывод: аналогов данного метода разделения смесей газов в мире в настоящее время нет, поэтому инновационность нашего подхода представляется очень высокой.

— Какие конкурентные преимущества вы можете выделить в случае реализации своего подхода?

Д.К.: Проведенные производственные испытания на модельных устройствах показали, что коэффициенты разделения для тяжелых углеводородных компонентов, парниковых газов сравнимы с результатами, полученными на традиционных устройствах разделения.

Однако презентуемый на ЭКСПО-2017 подход имеет ряд преимуществ, связанных с высокой производительностью, непрерывностью процесса разделения и контроля, технологической простотой изготовления разделительных устройств, продолжительным сроком эксплуатации, низкой себестоимостью, возможностью сочетания с другими технологическими режимами. Применение разработанных устройств, имеющих целый ряд характерных достоинств, позволит существенно снизить сложность процесса очистки, повысить его экологическую безопасность и занять свое место среди применяемых методов разделения газовых смесей.

Снижаем экологическую нагрузку

— Какие перспективы вы видите в дальнейшем для разрабатываемых вами разделительных устройств и технологии разделения?

В.К.: Использование устройств предлагается в качестве дополнительной начальной ступени на традиционных разделительных комплексах. Уже на предварительном этапе появляется возможность сравнительно легко разделить легкие и тяжелые составляющие транспортируемой смеси. Это позволяет уже на первой ступени очистки получить практически чистый коммерческий продукт (метан) и снижает объем разделяемых газов на последующих ступенях разделения, тем самым уменьшая затраты и повышая эффективность дальнейших этапов разделения.

Применение презентуемого на ЭКСПО-2017 подхода позволяет уже на предварительной ступени разделения в составе традиционных газоразделительных комплексов, на газовых месторождениях значительно снижать экологическую нагрузку, т.к. используются дополнительные механизмы для очистки от тяжелых углеводородных компонентов с последующей их утилизацией.

Д.К.: Казахстан находится в контексте мировой энергетики, развивающейся стремительными темпами. Так, например, Китай поставил целью увеличить долю природного газа в общем потреблении энергии в стране с 4% в 2011 году до примерно 8% к концу 2015 года и до 10% к 2020 году. А глобальный рынок оборудования для добычи нефти и газа за последние 5 лет демонстрирует постоянный рост в среднем на 3% и к 2018 г. достигнет в абсолютном выражении 117 миллиардов долларов США. В связи с этим очевиден абсолютный инновационный приоритет предлагаемого проекта, важность которого подтверждается включением его в экспозицию «Энергия будущего» на выставке ЭКСПО-2017.

И еще. Создание отечественных технологий крайне необходимо современному Казахстану как с точки зрения импортозамещения, так и с точки зрения выхода на ведущие позиции в мировой энергетике. Такой научный и промышленный потенциал у страны есть. Но для продвижения и реализации отечественных разработок, в частности в сфере нефти и газа, одной инициативы ученых мало, нужна государственная и коммерческая поддержка. Таким образом, успешное развитие инновационных технологий должно стать стратегическим государственным направлением, реализуемым лишь при условии тесного взаимодействия государства, ученых и отечественного бизнеса. В этом триединстве – залог успеха независимого конкурентоспособного Казахстана

Подготовила Надежда ШИЛЬМАН

Administrator