Проектирование газохимических заводов
Газохимия - отрасль промышленности, состоящая из процессов переработки природного, попутного и технологических газов. Около 90% добываемого природного газа используется в топливно-энергетическом балансе России, остальные 10% - идут на газохимическую переработку. Газохимия в последние 10-летия стала самостоятельной отраслью промышленности, наряду с нефтехимией. Состав газа специфичен для каждого месторождения.
Газохимический завод - это промышленное предприятие по добыче и глубокой переработке многокомпонентного природного горючего газа.
Как правило, оно создается на базе одного или нескольких месторождений природного газа.
Проектирование газохимических заводов – перспективное направление в проектировании промышленных объектов. На сегодняшний день в России несколько действующих и несколько строящихся газохимических заводов. В перспективе развития газохимической отрасли лежит проектирование и строительство газохимических заводов в большинстве регионов Российской Федерации, для создания на их базе промышленных объектов по производству из газового сырья товаров различного назначения, использованию газового сырья в технологических нуждах, а также для экспорта в другие страны.
Основными видами продукции газохимических заводов являются:
- сухой (тощий) газ,
- стабильный углеводородный конденсат,
- газовая сера,
- широкая фракция легких углеводородов,
- топливный газ низкого давления.
Производимая газохимическим заводом продукция находит применение во многих отраслях промышленности:
- Строительство
- Сельское хозяйство
- Автомобильная промышленность
- Упаковочные материалы
- Товары для дома
Природный газ - смесь газов, образовавшихся в недрах Земли при бескислородном разложении органических веществ - преобразования органического вещества осадочных горных пород. Ежегодная мировая добыча природного газа составляет около 2.5 трлн м3. Располагая 12.8% мировой территории и 2.8% населения, Россия обладает 34% доказанных и более 40% потенциальных запасов природного газа. Природный газ на 92 - 98 % состоит из метана (CH4). Также в его состав могут входить более тяжелые углеводороды - гомологи метана: этан (C2H6), пропан (C3H8), бутан (C4H10), а также другие неуглеводородные вещества: водород (H2), сероводород (H2S), диоксид углерода (СО2), азот (N2), гелий (Не).
При высокотемпературном нагревании некоторых химических соединений можно получить этилен — горючий газ без цвета и ярко выраженного запаха, который активно используется в промышленности. Он редко встречается в природе, поэтому его добывают искусственными газохимическими способами. Самый распространенный способ получения этилена — пиролиз углеводородного сырья, веществ, которые содержатся в газах нефтедобычи, в природных газах.
Пиролиз — популярный способ утилизации некоторых видов отходов. Он подразумевает под собой разложение органических соединений при высоких температурах на составляющие части в условиях дефицита кислорода. При помощи пиролиза получают сырье для изготовления синтетических продуктов. Максимальный выход вещества получается при пиролизе этана. При нагревании этана до 825 градусов за один проход образуется до 45% этилена, общий выход равен 70-75%. Одним из побочных продуктов образования данного процесса является водород. Если вернуть на переработку непрореагировавший газ, возможный выход этилена может равняться 92%. По этой причине пиролиз этана является предпочтительным. Получить этилен можно при переработке другого сырья. При пиролизе пропана концентрация вещества составляет 99%, в оставшийся процент входят этан и бутан в виде примесей. В условиях промышленной переработки выход пропана составляет около 85%. Если сравнивать пиролиз одинакового количества пропана и этана, объем полученного этилена во втором случае будет в 2 раза больше. В газохимической переработке пропана существует другой плюс — в этом процессе куда больше выход пропилена. Это вещество используют для производства пластмасс, моющих средств, растворителей и прочих.
Таким образом, проектирование газохимических заводов позволяет реализовать задачи по извлечению из природного газа химических соединений, участвующих в производстве полимеров различного назначения.
Газохимический завод включает в себя:
- газовые промыслы (одно или комплекс месторождений по добыче природного газа),
- газоперерабатывающие заводы,
- предприятия по транспорту газа, конденсата, серы и других компонентов,
- подземные хранилища для продуктов газопереработки.
В упрощенном виде схема технологической линии проектируемого газохимического завода выглядит следующим образом: от газового месторождения по технологическим трубопроводам природный газ поступает на газоперерабатывающие заводы, где происходит выделение различных фракций газа, различных химических соединений, возможно их смешение между собой, хранение и дальнейшее распределение по потребителям. Далее определенные фракции по технологическим трубопроводам поступают на переработку на газохимическом заводе, где происходит выделение из них нужных химических соединений в реакторе, по итогу всех процессов выделенные продукты поступают по трубопроводам конечным потребителям.
Проектирование газохимических заводов должно осуществляться на основании имеющейся информации о ближайших к месту строительства газовых месторождений. Транспортировка добываемого природного газа на слишком большие расстояния экономически нецелесообразна, не безопасна и не выгодна.
После определения источников природного газа, определяется место для проектирования газоперерабатывающих заводов. Они могут быть частью проекта вновь возводимого газохимического завода, либо быть самостоятельной единицей. Во втором случае при проектировании газохимического завода учитывают его близость к существующему газоперерабатывающему заводу.
Проектирование газохимических заводов включает в себя проектирование трубопроводов газовых фракций. Данные трубопроводы являются трубопроводами высокого давления и больших диаметров. При проектировании этих газопроводов следует учитывать, что есть ряд ограничений по их расположению. Например, их нельзя располагать на землях сельскохозяйственных назначений, в охранных зонах железнодорожных сооружений и линий электропередач.
Отдельно проектируемыми сооружениями газохимического завода являются узлы смешения и узлы учета газа, устанавливаемые на технологических трубопроводах газовых фракций. Узлы смешения проектируются согласно действующей нормативной документации, с заложением всех обвязок и запорно-регулирующей арматуры.
Для хранения газов в проекте газохимических заводов предусматривают различные резервуары, которые могут быть подземного или наземного исполнения. В наземных резервуарах газохимических заводов к основным емкостям добавляются опоры или ножки. По форме резервуары могут быть цилиндрическими, горизонтально или вертикально расположенными, а также шарообразными. Материал для изготовления резервуаров газохимических заводов сталь различных марок. Выбор материала зависит от температуры хранящейся в резервуаре среды. Резервуары для газа бывают одностенные и двустенные (двухстенные), межстенное пространство которых заполняется инертными газами, такими как азот.
Помимо технологических сооружений проектирование газохимических заводов включает проектирование объектов общезаводского хозяйства. Объекты общезаводского хозяйства предназначены для обеспечения технологических процессов и бытовых условий жизнедеятельности проектируемого газохимического завода. Проектом может быть предусмотрено строительство водогрейной котельной, обеспечивающей подачу тепла в производственные и бытовые здания и сооружения проектируемого газохимического завода, а также горячее водоснабжение, заготовительно-сварочного цеха, канализационно-очистных сооружений, автоматизированной газоразделительной станции, установки компримирования и осушки воздуха с азотно-кислородной станцией, складов, а также железнодорожной станции для приёма материалов и оборудования и для отгрузки продукции, выпускаемой газохимическим заводом.
Проектируемый газохимический завод – производство со сложным технологическим циклом, требующим бесперебойного снабжения тепло- и энергоносителями. Поэтому в проекте должно быть предусмотрено проектирование газотурбинной электростанции (ГТЭС), способной обеспечивать необходимый для нужд газохимического завода объём электрической энергии. Основным топливом для неё моет служить метановая фракция с производства этилена, а резервным топливом – природный газ. Режим работы проектируемого газохимического завода – непрерывный, круглогодичный, круглосуточный. Проектом должно быть предусмотрено строительство подъездной дороги к основным производственным цехам и помещениям газохимического завода.
Прежде всего в проекте должны быть предусмотрены трубопроводы для транспортировки газовых фракций, вырабатываемых газоперерабатывающим заводом для технологических нужд газохимического завода.
Проектируемые трубопроводы являются технологическими межзаводскими трубопроводами согласно п. 1.1 ГОСТ 32569-2013 и проектируются согласно требованиям, предъявляемым к технологическим трубопроводам. Расчетное давление трубопровода, расчетная температура трубопровода определяется согласно техническим условиям на подключение к газоперерабатывающему заводу.
В состав трубопроводов газохимического завода входят:
- надземный и подземный участки трубопровода;
- трубопроводная арматура и обвязка;
- сети трубопроводов внутри технологических помещений.
На проектируемых технологических трубопроводах газохимического завода применяются следующие типы технологического оборудования и устройств:
- запорная арматура;
- регулирующая арматура;
- предохранительная арматура;
- вставки электроизолирующие;
- расходомеры;
- емкость подземная.
На площадке узла смешения в проекте должна быть предусмотрена запорная, регулирующая и предохранительная арматура необходимая для управления потоками транспортируемых продуктов по проектируемым трубопроводам. В качестве запорной арматуры на газохимическом заводе проектом предусматриваются шаровые краны, в узле смешения проектом должны быть предусмотрены приводные клапаны-регуляторы расхода и расходомеры для контроля и поддержания необходимого соотношения газовых фракций.
На приводной трубопроводной арматуре проектом должен быть предусмотрен электропривод во взрывозащищенном исполнении. Плотность затворов запорной арматуры должен соответствовать классу герметичности «А» по ГОСТ 9544-2015.
Узел смешения газовых фракций в проекте с охранным крановым узлом должен быть оборудован продувочными свечами. Оголовок продувочной свечи не должен допускать попадания внутрь атмосферных осадков и располагается в направлении открытия по розе ветров.
В проекте газохимического завода должен быть предусмотрен технологический сброс (опорожнение) трубопроводов. Он может осуществляться, например, через факельную систему под собственным давлением газа или через парк сжиженного газа путем выдавливания продуктов азотом.
В проекте газохимического завода должны быть предусмотрены подземная емкость и предохранительные клапаны для сбора сжиженных углеводородов при вынужденной остановке трубопровода, например, в случае ремонтных работ.
Все электрооборудование, применяемое в проекте газохимического завода на межзаводских технологических трубопроводах, предназначенное для работы во взрывопожароопасных средах и размещаемое в взрывоопасных зонах, выбирается с учетом категории и группы взрывоопасной смеси, а также с учетом размера взрывоопасных зон.
Система отопления проектируемого газохимического завода в технологических помещениях может быть выполнена электрическая от источника для собственных нужд. В качестве отопительных приборов на газохимическом заводе проектом должны быть предусмотрены стационарные электроконвекторы промышленного типа. Проектируемая система электрического отопления должна иметь автоматическое регулирование для поддержания требуемой температуры воздуха в проектируемых помещениях газохимического завода.
В помещениях проектируемого газохимического завода может быть предусмотрена приточно-вытяжная общеобменная вентиляция с естественным или механическим побуждением. Вытяжная вентиляция в проекте может быть предусмотрена через шахту (выход через стену) с дефлектором. Приточная вентиляция газохимического завода должна осуществляться за счет инфильтрации через ограждающие строительные конструкции.
В помещениях проектируемого газохимического завода на время переходного и теплого периода года или круглогодично для снятия тепловыделений от оборудования и для обеспечения оптимальных параметров воздуха внутри помещений проектом может быть предусмотрено кондиционирование. В проекте газохимического завода кондиционирование может быть осуществлено с помощью сплит-систем или с помощью шкафных кондиционеров с низкотемпературным комплектом.
Водоснабжение проектируемого газохимического завода разрабатывается согласно требованиям к данным сетям при проектировании промышленных предприятий. Технологические трубопроводы проектируемого газохимического завода должны соответствовать техническим условиям. Промышленные стоки канализации газохимического завода не должны сбрасываться в городскую канализацию без предварительной очистки.
Также в проекте газохимического завода должны быть предусмотрены сети противопожарного водопровода и установки автоматического пожаротушения, системы пожарной сигнализации и оповещения о пожаре.
Существует два способа проведения пиролиза на газохимическом заводе:
1. Термический - реакции осуществляются в трубчатых печах газохимического завода при высоких температурах. К недостатку этого способа относят малый объем получаемого этилена. Вторым минусом является большое количество сажи, которая скапливается в печных змеевиках. Время, которое затрачивается на очистку печей, равно времени, необходимому для производства этилена и пропилена.
2. Каталитический – является предпочтительным на сегодняшний день. Температура в печах газохимического завода при этом способе существенно ниже, чем при термическом, что снижает энергоемкость процесса, а конверсия сырья выше. Такая технология пиролиза углеводородных газов частично решает проблему эффективности переработки. Для снижения количества сажи в реакторах применяют следующие способы: обработка поверхностей труб в устройстве для создания защитной пленки; использование ингибиторов коксования — разлагаемых сернистых соединений в очень малом объеме (до 0,02 % от общего состава); снижение давления отдельных компонентов сырья при помощи водяного пара.
Проектирование газохимических заводов должно осуществляться в соответствии с требованиями российского природоохранного законодательства. Результирующее воздействие с учетом применения природоохранных мер в проекте газохимического завода должно находиться в рамках установленных нормативов.
Планируемая деятельность проектируемого газохимического завода должна отвечать требованиям российского законодательства в области охраны окружающей природной среды и социальной сферы. На территории размещения проектируемых объектов газохимического завода должны отсутствовать природоохранные ограничения и существенные риски, способные препятствовать реализации проекта. Ожидаемые воздействия на компоненты природной среды и социальной сферы проектируемым газохимическим заводом должны быть допустимыми и находиться в пределах установленных природоохранных нормативов.
Наиболее заметное воздействие на проектируемом газохимическом заводе может оказываться на атмосферный воздух и оцениваться как среднее по степени значимости. Воздействия на подземные и поверхностные воды, животный мир, от размещения отходов производства газохимического завода и потребления должны оцениваться как незначительные. Почвенный покров и растительность не должны испытывать сильное воздействие, особенно в период строительства проектируемых объектов газохимического завода. Воздействие на геологическую среду должно быть допустимым. Воздействие на природную среду и здоровье населения должно быть ниже допустимых нормативных значений.
Основными действующими документами для проектирования газохимических заводов являются:
- Градостроительный кодекс Российской Федерации. Кодекс РФ от 29.12.2004 N 190-ФЗ;
- Земельный кодекс Российской Федерации. Кодекс РФ от 25.10.2001 N 136-ФЗ;
- Федеральный закон от 10.01.2002 N7-ФЗ «Об охране окружающей среды»;
- Федеральный закон от 12.02.1998 N 28-ФЗ «О гражданской обороне»;
- Федеральный закон от 30.03.1999 N 52-ФЗ «О санитарно-эпидемиологическом благополучии населения»;
- Федеральный закон от 21.12.1994 N 68-ФЗ «О защите населения и территорий от чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера»;
- Федеральный закон от 21.07.1997 N 116-ФЗ «О промышленной безопасности опасных производственных объектов»;
- Федеральный закон от 22.06.2008 N 123-ФЗ «Технический регламент о требованиях пожарной безопасности».
- Федеральный закон от 23.11.2009 N 261-ФЗ «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты РФ»;
- Федеральный закон от 30.12.2009 N 384-ФЗ «Технический регламент о безопасности зданий и сооружений»;
- Постановление Правительства РФ от 16.02.2008 N 87 «О составе разделов проектной документации и требованиях к их содержанию»;
- Постановление Правительства РФ от 26.12.2014 N 1521 «Об утверждении перечня национальных стандартов и сводов правил (частей таких стандартов и сводов правил), в результате применения которых на обязательной основе обеспечивается соблюдение требований Федерального закона «Технический регламент о безопасности зданий и сооружений»;
- Приказ Министерства строительства и жилищно-коммунального хозяйства Российской Федерации от 15.04.2016 N 248/пр «О порядке разработки и согласования специальных технических условий для разработки проектной документации на объект капитального строительства»;
- Правила устройства электроустановок;
- ГОСТ Р 21.1101-2013 «Основные требования к проектной и рабочей документации. Основные требования к проектной и рабочей документации»;
- ГОСТ Р 22.1.12-2005 «Безопасность в чрезвычайных ситуациях. Структурированная система мониторинга и управления инженерными системами зданий и сооружений. Общие требования»;
- СанПиН 2.2.4.548-96 «Гигиенические требования к микроклимату производственных помещений»;
- СП 4.13130.2013 «Системы противопожарной защиты. Ограничение распространения пожара на объектах защиты. Требования к объемнопланировочным и конструктивным решениям»;
- СП 5.13130.2009 «Системы противопожарной защиты. Установки пожарной сигнализации и пожаротушения автоматические. Нормы и правила проектирования»;
- СП 6.13130.2013 «Системы противопожарной защиты. Электрооборудование. Требования пожарной безопасности»;
- СП 48.13330.2011 «Организация строительства». Актуализированная редакция СНиП 12-01-2004;
- СП 60.13330.2012 «Отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха». Актуализированная редакция СНиП 41-01-2003;
- СП 77.13330.2016 «Системы автоматизации». Актуализированная редакция СНиП 3.05.07-85;
- СП 42-102-2004 «Проектирование и строительство газопроводов из металлических труб»;
- СП 43.13330.2012 «Сооружения промышленных зданий»;
- СП 56.13330.2011 « Производственные здания».