Membranowy odzysk helu z gazu ziemnego

Transkrypt

1 Membranowy odzysk helu z gazu ziemnego Co wiemy o helu...? Hel, obok wodoru, jest pierwiastkiem najbardziej rozpowszechnionym we wszechświecie, stanowiąc ok. ¼ masy gwiazd. Z kolei na Ziemi występuje w znikomych ilościach; a jego zasoby są nieodnawialne. Obecnie jedynym, ekonomicznie uzasadnionym, źródłem pozyskiwania helu są złoża gazu ziemnego, w których zgromadzony został w wyniku naturalnego wtórnego rozpadu pierwiastków promieniotwórczych obecnych w skorupie ziemskiej. Jednak większość molekuł helu obecnych w skorupie ziemskiej jest bezpowrotnie tracona w wyniku ucieczki tego ultralekkiego pierwiastka do atmosfery i dalej w przestrzeń kosmiczną. Największe zasoby helu posiadają USA, Katar i Rosja. Wiodącym producentem helu były i nadal pozostają Stany Zjednoczone. Wobec stopniowego kurczenia się zasobów amerykańskich, uruchomiono w świecie nowe instalacje produkcyjne (Qatar, Australia) oraz projektuje się oddanie do eksploatacji kolejnych, w tym w szczególności z bogatych rosyjskich złóż gazu na dalekiej Syberii. W europejskim gazie ziemnym, nie licząc Polski, hel występuje tylko w śladowych ilościach. Z kolei złoża gazu ziemnego w zachodniej Polsce, w odróżnieniu od Podkarpacia, jako zaazotowane (czyli zawierające znaczące ilości azotu) są cennym źródłem tego szlachetnego pierwiastka; choć raptem w stężeniu od kilkunastu setnych do kilku dziesiątych procenta. Warto tu przypomnieć, że Polskie Górnictwo Naftowe i Gazownictwo SA jest jedynym producentem helu na obszarze Unii Europejskiej; a instalacja helowa w Oddziale w Odolanowie była w 1977 roku pierwszą przemysłową instalacją produkującą hel poza terytorium USA. Zasoby helu w złożu Kościan-Brońsko szacowane są na ponad 30 mln Nm 3. Do czego używamy hel i dlaczego jest zasobem strategicznym? Prawdopodobnie najbardziej znane zastosowanie helu to napełnianie nim balonów. Jednakże hel przede wszystkim jest krytycznym pierwiastkiem w badaniach naukowych i zaawansowanych technikach medycznych, przy produkcji urządzeń high-tech, w programach kosmicznych czy wojskowych. Oto kilka przykładów: W medycynie hel wykorzystywany jest w ważnym diagnostycznym urządzeniu jakim jest rezonans magnetyczny, tzw. MRI (magnetic resonance imaging) czy też laserze helowo-neonowym stosowanym w precyzyjnej chirurgii. Zastosowania militarno-obronne obejmują testowanie silników rakietowych, śledzenie obiektów czy systemy naprowadzania pocisków. Hel wykorzystywany jest jako chłodziwo w kamerach termograficznych i innych podobnych urządzeniach stosowanych przez służby medyczno-ratownicze do wykrywania i monitorowania procesów fizjologicznych. Różne gałęzie przemysłu wykorzystują hel do detekcji nieszczelności w produkowanych urządzeniach. Jako gaz obojętny hel może bezpiecznie testować m.in. urządzenia kriogeniczne, reaktory jądrowe, produkty aerozolowe, gaśnice czy klimatyzatory. Użycia helu wymagają najbardziej zaawansowane badania kosmosu, w których pozwala na odseparowanie od siebie wysokotemperaturowych gazów i ultrazimnego paliwa w czasie wynoszenia rakiety w przestrzeń. W spawaniu łukiem kluczową dla jakości osłonę zapewnia obojętny hel. Fot. arch. PGNiG Nurkowie, ale także inni pracujący pod ciśnieniem używają mieszanek helu i tlenu dla stworzenia bezpiecznej atmosfery do oddychania. Hel stanowi gazową osłonę zabezpieczającą przy produkcji tytanu i cyrkonu, a także w hodowli kryształów krzemu i germanu. Hel, nie będąc reaktywny, używany jest jako medium chłodzące w reaktorach jądrowych. Perspektywicznie planuje się wykorzystanie helu w dyskach komputerowych, co podniesie ich żywotność i zwiększy pojemność. Jak odzyskujemy hel z gazu ziemnego? Praktycznie całość produkowanego na świecie helu pochodzi z kriogenicznego przetwarzania gazu ziemnego w procesie odazotowania lub skraplania. W Polsce gaz z zaazotowanych złóż kierowany jest do dwóch odazotowni należących do PGNiG SA: w Odolanowie (od 1976 roku) i w Grodzisku Wielkopolskim (od 2009 roku). W wyniku schłodzenia gazu ziemnego do temperatury ok o C następuje jego rozdział na metan, azot i hel. Ten hel to zaledwie półprodukt - koncentrat zawierający ok. 80% helu, który musi zostać jeszcze doczyszczony (do czystości 99,9999%) i skroplony (w temperaturze ok.-269 o C) w instalacji helowej w Odolanowie. Niestety nie wszystkie eksploatowane w Polsce zasoby gazu ziemnego zawierające hel kierowane są do kriogenicznego przetwarzania. Mając na uwadze to racjonalne gospodarowanie posiadanymi zasobami, Oddział PGNiG SA w Odolanowie opracował wstępną koncepcję membranowego odzysku helu z największej kopalni gazu ziemnego zaazotowanego Ko- 9

2 ścian-brońsko, gdzie większość wydobytego gazu kierowano dotychczas bezpośrednio do spalenia u klientów, w wyniku czego zawarty w spalanym gazie hel był bezpowrotnie tracony. Gaz ziemny wydobywany ze złóż Kościan- -Brońsko zawiera ok. 0,13 % helu. Jak działają membrany? Na świecie z powodzeniem stosuje się membrany do rozdziału składników powietrza (np. generatory azotu), wzbogacania biogazu w metan, a w przypadku gazu ziemnego w celu redukcji niepożądanych składników takich jak N 2, CO 2, H 2 S, bądź jego wzbogacania jak w naszym przypadku w hel. W celu otrzymania zróżnicowanych (co do składu) produktów rozdziału mieszaniny, w procesach membranowych stosuje się półprzepuszczalną przegrodę (membranę), przez którą składniki przenikają z różną szybkością. Fundamentalne znaczenie dla procesu rozdziału składników gazowych ma dobór odpowiedniego rodzaju membrany oraz materiału, z jakiego jest wykonana. W zależności od budowy moduły membranowe mogą być: kapilarne (hollow fiber) w postaci upakowanych cienkich kapilar; spiralne (spiral-wound) gdzie warstwa półprzepuszczalna tworzy spiralny zwój. Co do materiału membrany przeważają syntetyczne membrany polimerowe, w tym np. polietylenowe, poliamidowe, poliimidowe, celulozowe, polisulfonowe czy polidimetylosiloksanowe. Rys.1. Arch. PGNiG Rys.1a. Arch. PGNiG W zwartej strukturze membrany polimerowej zachodzi mechanizm rozpuszczania i dyfuzji. Mieszaninę gazową (feed gas) przepuszcza się wzdłuż powierzchni membrany, gdzie w wyniku różnic w rozpuszczalności gazów w konkretnych polimerach tworzących membranę, gaz ulega rozdziałowi na strumień wzbogacony w dany składnik (permeate) i strumień zubożony (residual). Siłą napędową tego procesu jest różnica ciśnień panujących po obu stronach membrany. Głównym wyzwaniem przy doborze membran polimerowych jest połączenie ich wysokiej selektywności i dużej przepuszczalności; tym trudniejsze, że cechy te są odwrotnie skorelowane. W naszym projekcie rozważaliśmy różne membrany; przy czym jedna z nich, typu hollow-fiber, testowana była w Oddziale w Odolanowie na dostarczonej przez producenta mikroinstalacji. Ostatecznie w przetargu, premiującym zarówno nakłady inwestycyjne, jak i koszty operacyjne, wygrała oferta producenta membran typu spiral-wound. Gaz wsadowy (feed) dostarczany jest od czoła zwoju i przenika do warstwy (feed spacer) ułożonej przy membranie. Warstwa ta umożliwia przepływ gazu wzdłuż całego cylindra z jednoczesnym dostępem cząsteczek do membrany. Rys. 2. Arch. PGNiG 10

3 Rys. 3. Fot. arch. PGNiG Rys. 3a. Fot.. arch. PGNiG Cząsteczki, które ze względu na swoje właściwości fizyczne i chemiczne mogą przeniknąć przez membranę, dostają się do kolejnej warstwy (permeate spacer) znajdującej się po drugiej stronie membrany. Warstwa ta umożliwia transport strumienia z podwyższoną zawartością helu w kierunku poprzecznym do osi cylindra, po spirali, do centralnej perforowanej rury, skąd jest odbierany (permeate). Układ membranowy składa się z 48 modułów (rys.1 i 1a) zabudowanych w dwóch identycznych zbiornikach ciśnieniowych. Z kolei każdy zbiornik (rys.3 i 3a) zawiera po 6 zestawów (rys.2) z czterema szeregowo połączonymi modułami. Efektywność działania membran zależy od różnicy ciśnień na niej odłożonej i od temperatury przepływającego przez nią gazu. Pierwszy z tych parametrów wynika z 1) warunków pracy kopalni (ciśnienie wsadu) i 2) minimalnego dopuszczalnego ciśnienia ssania sprężarek. Wartość drugiego parametru temperatury regulowana jest dostarczonym ciepłem sprężanego gazu. Od pomysłu do uruchomienia (przebieg projektu) Projekt realizowano w oparciu o metodykę projektową z harmonogramem wyznaczonym przez kamienie milowe. Świadomie przeprowadzono go bez generalnego realizatora inwestycji (GRI), mając na względzie jego innowacyjny charakter i ograniczony budżet. PGNiG zakontraktował u producentów najważniejsze dostawy, w szczególności skidy membranowe oraz zestawy sprężarkowe oraz oddzielnie montaż instalacji. Oprócz zasadniczej części instalacji membranowej w ramach projektu konieczne było zbudowanie: 1) gazociągu do transportu gazu z helem tzw. Łącznika z KGZ Kościan-Brońsko do węzła gazowego Kokorzyn oraz 2) nowego punktu wejścia do systemu gazu zaazotowanego w węźle Szczyglice. Rys. 4. Arch. PGNiG 11

4 Realizacja Projektu Membranowy Odzysk Helu Kamienie milowe w projekcie Data Start projektu powołanie w PGNiG SA zespołu dla opracowania studium wykonalności 8 października 2013 r. Ukończone Studium Wykonalności 20 grudnia 2013 r. Oceniona Koncepcja Wstępna i wydana decyzja o uruchomieniu realizacji projektu maja 2014 r. Zawarcie umowy z Membrane Technology Research Inc./USA na dostawę skidów membranowych 16 grudnia 2014 r. Zawarcie umowy z Atrem S.A. na budowę wejścia do sieci przesyłowej w węźle Szczyglice 9 stycznia 2015 r. Zawarcie umowy z EkoKan Sp. z o.o. na budowę gazociągu dla transportu gazu wzbogaconego w hel 20 marca 2015 r. (relacji Kościan-Kokorzyn) Zawarcie umowy z Euro Gas Systems/Rumunia na dostawę zestawów sprężających 11 maja 2015 r. Przebudowa ciągu obejściowego instalacji membranowej (podczas postoju kopalni KGZ Kościan-Brońsko) 1-15 lipca 2015 r. Wydane pozwolenie na budowę 10 lipca 2015 r. Zawarcie umowy z konsorcjum ATREM SA/Contrast Sp. z o.o. na montaż instalacji i obiekty pomocnicze 18 sierpnia 2015 r. 12

5 Zestawy sprężające dostarczone na teren budowy 6 listopada 2015 r. Odbiór węzła Szczyglice (nowego wejścia do systemu przesyłowego) 31 grudnia 2015 r. Skidy membranowe dostarczone na teren budowy 13 stycznia 2016 r. Odbiór techniczny zabudowanej instalacji membranowej 23 czerwiec 2016 r. Porozumienia z operatorami przesyłu i dystrybucji dot. zasilania systemu przesyłowego przez nowy punkt 30 czerwca 2016 r. wejścia na węźle w Szczyglicach Testy sprawności instalacji membranowego odzysku helu 7 lipca 9 sierpnia 2016 r. Odbiór końcowy gazociągu dla transportu gazu wzbogaconego w hel (relacji Kościan-Kokorzyn) 1 września 2016 r. Odbiór końcowy instalacji membranowego odzysku helu 4 listopada 2016 r. Budżet inwestycji Planowany: PLN Zrealizowany: PLN 13

6 Rys. 5. Arch. PGNiG Instalacja pracuje Obecnie większość produkowanego przez kopalnię gazu, przed skierowaniem go do klientów, przepływa przez nową instalację, z czego nieco ponad 10% przechodząc przez półprzepuszczalny materiał membran wzbogacana jest w hel (z każdych 10 wchodzących molekuł helu 8 przenika przez membranę do strumienia wzbogaconego w hel). Pozostałe 90% wsadu przepływa wzdłuż membran i nie przenika przez nie; pozbywając się znacznej części helu i CO 2 poprawia jednocześnie swoje parametry opałowe (gaz handlowy). Jest to dodatkowy pozytywny efekt działania instalacji, który w praktyce, w prosty i ekonomiczny sposób, umożliwia pozyskanie gazu Lw z surowca o niższej kaloryczności. Gaz handlowy kierowany jest do klientów w ten sam sposób co dotychczas. Z kolei strumień wzbogacony w hel po przejściu przez membrany traci początkowe ciśnienie i musi zostać sprężony przed skierowaniem go na wlot instalacji odazotowania, a finalnie instalacji oczyszczania i skraplania helu w Odolanowie. Do tego wykorzystywane są jednocześnie pracujące dwie z trzech identycznych sprężarek (po ok. 1,2 MW). Gaz wzbogacony w hel na membranach (z 0,13% do ok.0,8%) dociera gazociągiem do Odolanowa, gdzie przechodzi proces odazotowania, którego jednym z produktów jest koncentrat helu (80%). Ten koncentrat kierowany jest na sąsiednią instalację oczyszczania i skraplania helu, ktorej efektem jest czysty hel (99,9999%) będący produktem handlowym. Hel sprzedawany jest w postaci gazowej (ekspediowany w butalch, wiązkach lub baterio/rurowozach pod ciśnieniem do 30 MPa) lub ciekłej (w dewarach lub kriogenicznych kontenerach). Instalacja membranowa w Kościanie umożliwia dodatkowe wyprodukowanie ok. 800 tys. Nm 3 czystego helu rocznie. Instalacja membranowa do odzysku helu w Kościanie zbudowana została przez Oddział w Odolanowie, który, jako właściciel, odpowiedzialny jest za jej eksploatację. Z racji bezpośredniego sąsiedztwa kopalni gazu Kościan-Brońsko operatorstwem instalacji zajmuje się natomiast załoga kopalni KGZ Kościan-Brońsko (pracownicy Oddziału w Zielonej Górze). Co warto zapamiętać? Projekt zrealizowano przy łącznych nakładach o ponad 9 mln zł niższych od zakładanego budżetu, tj. na poziomie poniżej 85%. Prowadzenie projektu bez generalnego realizatora inwestycji GRI, tj. przy samodzielnym kontraktowaniu głównych dostaw i wykonawstwa pomocniczych/peryferyjnych układów wymagało ciągłej koordynacji prac/ dostaw różnych wykonawców. Zapewniło jednak efektywniejszy nadzór i kontrolę jakości realizowanych prac, a także przyczyniło się do pozyskania przez personel PGNiG SA nowych kompetencji. Oddział w Odolanowie, nie posiadając dedykowanych służb inwestycyjnych, zrealizował zadanie jako projekt, angażując do pracy przy nim wszystkich niezbędnych branżystów (równolegle do ich podstawowych zadań). Projekt miał charakter innowacyjny; co wymagało wprowadzania zmian funkcjonalno-użytkowych na różnych etapach jego realizacji. Struktura nakładów na realizację projektu wyglądała następująco rys. 5. W skali światowej branża oil&gas wykorzystuje membrany do eliminacji z gazu ziemnego nadmiaru CO 2, do jego odsiarczania czy (co ma miejsce także na instalacji w Kościanie) do podnoszenia kaloryczności gazu. Do separacji helu w celach komercyjnych instalacja membranowa została zastosowana w naszym projekcie po raz pierwszy w świecie. Potwierdzony odzysk helu na membranach na zakładanym poziomie (80%) pozwala poszukiwać innych lokalizacji, w których możliwe byłoby zastosowanie tej technologii, czy to do odzysku helu czy też do innej koniecznej zmiany składu gazu ziemnego. Uruchomiona w Kościanie instalacja pokazuje, że technicznie możliwe i opłacalne jest także niekonwencjonalne podejście do separacji składników gazu. Katarzyna Chołast z-ca dyrektora ds. technicznych Bogumił Chmielecki PGNiG SA Oddział w Odolanowie Fot. arch. PGNiG 14