Модульные энергонезависимые установки для переработки углеводородных газов в метанол, высокооктановый бензин, диметиловый эфир и водород



Скачать 479.18 Kb.
страница1/2
Дата23.04.2016
Размер479.18 Kb.
ТипРеферат
  1   2
СОДЕРЖАНИЕ

1. Модульные энергонезависимые установки для переработки углеводородных газов в метанол, высокооктановый бензин, диметиловый эфир и водород.

2. Области применения:


  • попутные нефтяные газы;

  • шахтный метан;

  • малые газовые месторождения и низконапорные выработанные скважины

3. Сравнительная оценка различных технологий производства метанола и моторных топлив из природного газа и других углеводородных газов

4. Описание предлагаемой технологии

5. Целевые продукты:


  • метанол;

  • диметиловый эфир;

  • высокооктановый бензин

6. Экспериментальные установки «Синтоп-1» и «Синтоп-300»

7. Экологическое воздействие технологии на окружающую среду

8. Контакты

МОДУЛЬНЫЕ ЭНЕРГОНЕЗАВИСИМЫЕ УСТАНОВКИ ДЛЯ ПЕРЕРАБОТКИ УГЛЕВОДОРОДНЫХ ГАЗОВ В МЕТАНОЛ, ВЫСОКООКТАНОВЫЙ БЕНЗИН, ДИМЕТИЛОВЫЙ ЭФИР И ВОДОРОД.


Прогнозируемый спад добычи нефти в России на период между 2010 и 2020 гг. при одновременном увеличении спроса на моторные топлива заставляет искать различные пути решения этой проблемы. Интенсивное введение в эксплуатацию малодебитных и забалансовых месторождений сможет уменьшить глубину снижения добычи нефти. Однако не удается вспомнить случаи, когда бы снижалась добыча нефти подобным образом. Результаты еще не начатых поисковых работ по разведке перспективных нефтяных месторождений, их обустройство и ввод в эксплуатацию с целью компенсации снижения добычи нефти на эксплуатируемых месторождениях также представляются маловероятными.

  Поэтому интересы производителей моторных топлив нацелены на поиск альтернативных источников сырья для производства моторных топлив. С учетом громадных разведанных запасов, существенно превосходящих разведанные запасы нефти, наиболее перспективным сырьем для производства моторных топлив являются природный газ и бурый уголь. В пользу такой оценки свидетельствует тот факт, что страны, испытавшие топливно-энергетический кризис, давно начали такие работы и достигли определенных положительных результатов. Так, в Германии в 30–40-е и в ЮАР в 50–70-е годы прошлого века были созданы и эксплуатируются заводы по производству моторных топлив из угля, в США и западноевропейских странах интенсивно разрабатываются процессы производства моторных топлив из природного газа.

России же имеет смысл ориентироваться на природный газ, как перспективное сырье для производства моторных топлив, принимая во внимание, что на территории России только разведанные запасы природного газа (категории А + В + С1) оцениваются в 47 трлн м3. Кроме того, в настоящее время природный газ применяется, главным образом, как экологически чистый энергоноситель при производстве тепла и электрической энергии. Доля природного газа, используемого в России в качестве сырья для химических производств, не превышает 1,5%. Все это позволяет считать перспективным использование природного газа в ближайшие годы в качестве сырья для химических процессов производства моторных топлив.

  В мировой практике все процессы химической конверсии природного газа в жидкие соединения объединены в одну категорию химических процессов (Gas to Liquids –GTL). Перспективы развития и внедрения процессов GTL в мире и в России обусловливаются следующими причинами:



  • прогнозируемым на период между 2010 и 2020 гг. спадом добычи нефти при одновременном увеличении спроса на моторные топлива;

  • ужесточением экологических требований к качеству моторных топлив;

  • необходимостью разработок отдаленных труднодоступных месторождений природного газа, расположенных на значительном расстоянии от районов потребления, при отсутствии транспортной инфраструктуры;

  • размещением крупнотоннажных производств, работающих по технологии GTL, которая позволяет осуществлять транспортировку огромного энергетического потенциала потребителям по более выгодной схеме транспортировки жидких продуктов;

  • размещением малотоннажных предприятий, использующих технологию GTL на малодебитных и низконапорных месторождениях природного газа. Это позволит удовлетворить потребность регионов в моторных топливах, более того GTL позволит осуществлять транспортировку огромного энергетического потенциала потребителям по более выгодной схеме транспортировки жидких продуктов;

  • размещением малотоннажных предприятий, использующих технологию GTL на малодебитных и низконапорных месторождениях природного газа, позволяющим удовлетворить потребность регионов в моторных топливах и тем самым снять остроту проблемы дорогостоящих завозов. Помимо этого такой путь эксплуатации малодебитных и низконапорных месторождений природного газа является наиболее эффективным при их эксплуатации.

Получаемые по технологии GTL синтетические жидкие углеводороды превращают практически всю продукцию химической переработки природного газа в соединения, находящиеся в жидком состоянии при нормальных условиях (или легко сжижаемых при комнатной температуре) это, прежде всего:

  • метанол, диметиловый эфир (ДМЭ), метилтретбутиловый эфир (МТБЭ);

  • ширококипящая фракция углеводородов – синтетическая нефть (СН);

  • отдельные углеводородные фракции, в том числе синтетические моторные топлива.

Из приведенной схемы видно, что из 1 кг исходного сырья в виде углеводородных газов, стоимостью 35 копеек (при цене газа 10$/1000нм3), получается 1,05 кг метанола стоимостью уже 7,30 руб. Такая низкая цена газа взята для примера и обусловлена невозможностью его промышленного использования из вышеперечисленных источников ввиду низкого давления, плохого состава или удаленности от магистральных трубопроводов. Следует отметить, что попутный газ при нефтедобыче может не только иметь минимальную цену. Наоборот, за горящие на нефтепромыслах факела платятся большие штрафы за ущерб наносимый экологии. Использование такого газа в качестве сырья делает экономическую эффективность установки еще выше. Кроме того, электрогенератор на валу ГСГ вырабатывает из килограмма газа ~2,5кВт.ч электроэнергии, стоимостью 3,18 руб (если бы она потреблялась извне), которая используется для собственных нужд, делая установку энергонезависимой. Далее, полученный метанол можно переработать в 0,4 кг высокооктанового бензина стоимостью 7,08 руб или 0,6 кг диметилового эфира стоимостью 11,68 руб. При расчетах все оптовые цены и курсы брались из сложившихся на рынке в апреле 2005 года. назад

ПОПУТНЫЕ НЕФТЯНЫЕ ГАЗЫ


Попутный нефтяной газ - углеводородный газ, сопутствующий нефти и выделяющийся из неё при сепарации. Количество газов /в м3/, приходящееся на 1 т добытой нефти, зависит от условий формирования и залегания нефтяных месторождений и может изменяться от 1-2 до нескольких тыс м3/т нефти. В отличие от газов природных горючих, состоящих в основном из метана, нефтяные попутные газы содержат значительные количества этана, пропана, бутана и др. предельных углеводородов. Кроме того, присутствуют пары воды, а иногда и азот, углекислый газ, сероводород и редкие газы-гелий и аргон.

Проблема рационального использования попутного нефтяного газа /ПНГ/ существует во всем мире. Существует давно. В мире ежегодно сжигается около 100 млрд кубометров попутного нефтяного газа. На промыслах Югры добывается 6,3-6,4% от мировой добычи нефти и, если в1992 году из недр было извлечено 20,6 млрд кубометров ПНГ, то к 2003 году уже 29,9 млрд. Объем газа, ежегодно сжигаемого на факелах, за десять лет вырос с 4,3 до 5,2 млрд кубометров. Причем, только 40% извлеченного газа нефтяные компании продают на газоперерабатывающие заводы, ещё примерно столько же расходуется ими на собственные нужды и сжигается на электростанциях. Оставшиеся 20% - сжигаются в промысловых факелах, при этом загрязняющие выбросы в атмосферу исчисляются тысячами тонн. Сжигание ПНГ, за счет огромного потребления кислорода и теплового излучения, способствует усилению парникового эффекта.

Впрочем, проблема рационального использования попутного нефтяного газа не сугубо экологическая, а из разряда эколого-экономических. Стоимость 1000 кубометров ПНГ - $30. Умножьте на сжигаемые 5,2 млрд кубометров в год. Получим, что, отапливая небо, наша экономика теряет огромную сумму - около $300 млн, а если учесть, что с 1 млрд нефтяного газа выходит продуктов нефтехимии на $1 млрд, - получим цифру более чем внушительную.

Конечно, сжиганием попутного газа наносится огромный экологический ущерб. Но, вместе с тем, мы уничтожаем невосполнимый, ценнейший продукт. Система сбора и подготовки попутного нефтяного газа строилась еще советские времена, была централизованной. Затем приватизационные процессы практически разорвали единую технологическую цепь, отделили сбор и подготовку газа от сырьевых ресурсов. Нефтяная отрасль приватизировалась и, мягко говоря, расчленялась по своим законам. Отрасль газопереработки была приватизирована по иной схеме – отошла в РАО "Газпром".

Таким образом, переработка ПНГ компактными установками непосредственно на промыслах помимо решения экологических проблем, значительно повысила бы экономику нефтедобычи.
назад

ШАХТНЫЙ МЕТАН

Все виды топлива (нефть, природный газ, уголь, сланцы и торф) относятся к категории не возобновляемых ресурсов, а вместе с тем расход (потребление) их находятся на относительно высоком уровне. Так, к 2010г добыча топливных ресурсов в обозримой перспективе увеличится до объемов приведенных в таблице.

Объем добычи топливных ресурсов

Вид топливных ресурсов

Объемы добычи

Увеличение, %

1995 г.

2000 г.

2010 г.

Нефть и конденсат, млн т

307

305

350

114,0

Природный и попутный газ, млрд куб.м

595

591

860

145,0

Уголь, млн т

263

249

640

243,0

Одновременно с этим необходимо подчеркнуть, что топливные ресурсы, на добычу которых расходуются большие средства, теряются на стадиях добычи, транспорта, хранения и сжигания. По этим причинам проблема снижения потерь, не возобновляемых энергетических ресурсов и рационального их использования, становится все более актуальной. В этой связи поиск дополнительных источников, дающих возможность экономить традиционные виды топлива, является необходимым и вполне своевременным. К таким дополнительным ресурсам следует отнести шахтный метан-газ, содержащийся в угольных пластах и окружающих породах. Он является природным газом по происхождению и продуктом разработки углегазовых месторождений. Шахтный метан как вид энергетического топлива и химического сырья, привлекает внимание с позиций потенциальных запасов, которые определены к настоящему времени (как и учтенные запасы угля).

Попутно заметим, что запасы природного газа составляют 47,8 трлн куб.м. В ныне отрабатываемых угольных пластах Донецкого, Кузнецкого и Печорского бассейнов содержится от 20 до 100 куб. м метана на 1 куб.м. В среднем по угольной промышленности России на каждую тонну добываемого сейчас угля выделяется 20 куб. м метана, теплота сгорания, которого составляет 8400 ккал/куб.м. В этом случае 1 куб. м метана соответствует 1,2 кг условного топлива.

Следует отметить, что содержание горючих газов в угольных пластах зависит от глубины отработки запасов и возрастает по мере ее увеличения. Это приводит к росту интенсивности и объемов выделения газов в горные выработки. Так, в некоторых метанообильных шахтах России на глубинах свыше 500-600м выделение метана достигает от 150 до 700 тыс. куб.м в сутки (“Чертинская”, “Воркутинская”, “Северная” и др.). Шахтный метан, содержащийся в угольных пластах и окружающих их породах, извлекается на поверхность вакуумнасосными станциями через специально пробуренные скважины, а из шахтного пространства выбрасывается в атмосферу через вентиляционную систему. Во всех случаях использование получаемой метановоздушной смеси в качестве энергетического топлива определяется ее составом, т.е. соотношением в ней метана как такового и воздуха. Процентное соотношение этих компонентов предопределяет энергетическую ценность метановоздушной смеси и возможность (или невозможность) ее использования, особенно в части взрывоопасности при сжигании.

Рассматривая экономический аспект утилизации шахтного метана, следует также отметить и такое положительное последствие, как влияние этого направления рационального использования угольных ресурсов на улучшение результатов работы угледобывающих предприятий. В этом случае должно произойти снижение себестоимости добычи угля. Это достигается в результате того, что общепроизводственные затраты на добычу будут распределяться между двумя видами продукции: углем и шахтным метаном.

Утилизация шахтного метана позволит снизить себестоимость добычи угля на шахтах в зависимости от конкретных условий на 3-4%. Кроме того, это положительно скажется и на других показателях хозяйственной деятельности угледобывающих предприятий. Во-первых, увеличится масса прибыли на единицу продукции, поскольку возрастает разница между существующей ценой и себестоимостью добычи угля или, что одно и то же – снизятся убытки и, во-вторых, сократится расход первичного топлива (угля) на внутренние нужды, в результате чего соответственно возрастут угольные товарные ресурсы и стоимость их реализации.



ВЫВОДЫ

  • Шахтный метан является крупным потенциальным источником энергетического топлива, запасы которого эквивалентны запасам природного газа.

  • Каптирование и использование шахтного метана, обеспечивая безопасные условия работы в шахтах, позволят решить и проблемы эколого-экономического характера по таким направлениям, как снижение загрязнения окружающей среды, экономия первичного топлива на производство тепловой энергии в энергетических установках и снижение себестоимости добычи угля. назад

МАЛЫЕ ГАЗОВЫЕ МЕСТОРОЖДЕНИЯ И НИЗКОНАПОРНЫЕ ВЫРАБОТАННЫЕ СКВАЖИНЫ

Принципиальной проблемой газовой отрасли в ближайшем будущем станет ситуация с остаточным низконапорным газом вырабатываемых месторождений, недостаточно обсуждаемая в настоящее время. По мере разработки газового месторождения давление газа в пласте снижается. В определенный момент возникает ситуация, когда низкое давление газа, поступающего из скважин, не позволяет подавать его в магистральные газопроводы без дорогостоящих подготовительных мероприятий. В результате такой газ становится слишком дорогим и неконкурентоспособным при поставках за пределы округа.

В целом в категорию низконапорного попадает 15-20 % извлекаемых запасов природного газа, а общий его объем только по разрабатываемым месторождениям Ямало-Ненецкого автономного округа превысит 2 трлн.м3, а в целом по округу составит более 5 трлн.м3. Уже к 2007 году 90 млрд.м3 низконапорного газа останется на Вынгапуровском месторождении. К 2020 году - 310 млрд.м3 - на Медвежьем. К 2025 году эта проблема станет массовой. Только на Уренгойском месторождении в категорию низконапорного попадет 920 млрд.м3 газа.

Сегодня в стране нет представления о том, что такое низконапорный газ, хотя перспективными направлениями его использования являются энергетика, химия, сжижение или превращение газа в жидкость.

В ближайшей перспективе обострится еще одна проблема - существенного увеличения доли так называемого "жирного" газа в общем объеме добычи. Сейчас преимущественно добывается метановый "сухой" газ. Для него не требуются специальные системы по выделению этан-, пропан-, бутановых и более тяжелых фракций. Соответственно не возникает вопрос их дальнейшего использования. К 2030 году почти половина добываемого газа будет "жирным". В результате объем производимого в округе конденсата возрастет с сегодняшних 4млн.т до 20-25 млн.т.

Переориентация отрасли на добычу "жирного" газа ставит задачу переоснащения промыслов, транспортировки и переработки содержащегося в нем газового конденсата - ценнейшего сырья для газохимической промышленности.

В тоже время, сырьевая составляющая в цене получаемого в результате переработки углеводородных газов конечного продукта достаточно высока и в зависимости от масштаба установки, характеристик этого продукта, состояния рынка может достигать 40¸50%. Если крупный производитель метанола, бензина, ДМЭ и др. получает газ из магистрального трубопровода – он всецело зависит от всё возрастающих цен на него и лишен возможности какого-либо маневра.

Модульные установки, если они энергообеспечены, в силу своих свойств и масштаба, могут быть расположены непосредственно в местах добычи или утилизации практически любых углеводородных газов. В этом плане возникает возможность использования тех источников, которые никаким образом не могут быть использованы при централизованном способе поставки сырья на крупные газоперерабатывающие предприятия.

В первую очередь большой интерес представляют регионы с падающей добычей природного газа, когда давление газа снижается до величин, при которых его транспортировка становится нерентабельной. Сегодня таких месторождений более чем достаточно, а в конечном итоге такая судьба ожидает все разработанные и успешно функционирующие скважины. Регионы с падающей добычей обладают всей необходимой инфрастуктурой, персоналом и социальной сферой. Организация переработки оставшихся газов на месте с помощью технологий, не нуждающихся в наличии высокого давления, позволит на долгие годы продлить эксплуатацию этих месторождений и организовать производство ценнейших продуктов.

Не меньший интерес представляет оживление ныне затампонированных геологоразведочных скважин и других забалансных источников газа с целью его переработки. Стоимость газа на них будет определяться в основном необходимым обустройством и эксплуатационными затратами, т.к. бурение уже осуществлено, а в компремировании нет необходимости.

Большие перспективы, а зачастую и единственный выход из положения, дает организованная на месте переработка газа малых месторождений, расположенных вдали от магистральных газопроводов. Как правило, они находятся в собственности небольших частных компаний, у которых перспектива продажи газа в его натуральном виде отсутствует, а использование его для энергетических целей весьма ограничено, т.к. необходимая связь с энергопотребителями требует крупных капиталовложений.

И последняя категория газовых месторождений с составом газа, существенно отличающимся от стандартов на природный газ (в частности высоким содержанием ШФЛУ) также может оказаться весьма перспективной для переработки на месте.


назад

СРАВНИТЕЛЬНАЯ ОЦЕНКА РАЗЛИЧНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ ПРОИЗВОДСТВА МЕТАНОЛА И МОТОРНЫХ ТОПЛИВ ИЗ ПРИРОДНОГО ГАЗА И ДРУГИХ УГЛЕВОДОРОДНЫХ ГАЗОВ

Существующие мощности по производству метанола и синтетических моторных топлив, как правило, базируются на традиционных технологиях двух и более стадийных процессов, при которых на первой, наиболее сложной и дорогостоящей стадии, осуществляется паровая, парокислородная или углекислотная конверсия метана в присутствии катализатора при температурах 700-900ОС и давлении 2-3 МПа. Происходит это в высокотемпературных трубчатых печах из дорогостоящей аустенитной стали. Процесс проходит с высоким потреблением тепла. Если добавить к этому энергозатраты на производство кислорода и пара, то уже первая стадия получается весьма энергоёмкой. Полученный таким образом синтез-газ после охлаждения и очистки компримируется до 8-30 МПа, что опять же связано с высоким энергопотреблением.

На второй стадии осуществляется конверсия полученного синтез-газа в метанол в каталитических реакторах или проводится процесс Фишера-Тропша с получением моторных топлив дизельной группы. Как правило, после первой стадии получается практически чистый синтез-газ, что является, казалось бы, несомненным преимуществом, однако, использовать эти преимущества в практике синтеза достаточно сложно. Это связано с тем, что каталитический процесс синтеза метанола связан с исключительно высоким тепловыделением, при котором практически невозможно отвести тепло существующими способами и обеспечить равномерное распределение температур во всём объёме реактора. Это требование необходимо для достижения высокой степени селективности конверсии с целью получения чистого продукта.

На практике приходится ограничиваться степенью конверсии за один проход на уровне до 7-12% и вводить многократную рециркуляцию частично отработанного синтез-газа, что, в свою очередь, опять же связано с дополнительными энергозатратами. Но и на этом проблемы не заканчиваются. Ещё одной статьёй существенных расходов энергии является ректификация, так как получаемый из реакторов метанол содержит достаточно большое количество примесей.

Суммируя всё вышеизложенное можно прийти к заключению, что подобные технологии применимы только в случае очень крупных производств, где становится оправданной утилизация тепловых потерь для покрытия высоких энергозатрат и снижения себестоимости получаемых продуктов. Действительно, существующие сегодня и вновь создаваемые стационарные производства имеют производительность ³ 0,5¸1,0 млн.т/год.

Следует также отметить, что использование в классическом варианте процесса Фишера-Тропша для производства моторных топлив так и не позволило сделать его конкурентоспособным даже при высокой стоимости нефти.

Попытки создания малотоннажных установок с использованием наработок прошлого века, в особенности его первой половины, представляются контр продуктивными, даже с учётом множества усовершенствований, поскольку экономическая эффективность, как было отмечено выше, сильно зависит от масштаба.

Говоря о крупнотоннажном производстве, мы, как правило, имеем в виду завод, комбинат или, по крайней мере, цех крупного предприятия с развитой инфраструктурой, социальной сферой, мощным энергохозяйством. Все методики расчёта экономической эффективности, отраслевые коэффициенты, нормативы создавались именно для таких предприятий и попытки рассчитывать по ним сравнительные характеристики малотоннажных модульных установок встречают большие затруднения. Связано это с тем, что практически по всем показателям мы имеем дело с совершенно другим типом производства. В качестве иллюстрации можно сказать, что отдельные модули выпускаются заводами-изготовителями в виде законченных изделий с высокой заводской готовностью, с смонтированной электрикой, средствами контроля и автоматики, в готовых пэкиджах и установка их на площадке потребителя не требует масштабных строительных работ. Монтажные работы, в основном, сводятся к соединению разъёмов и прокладке внешних коммуникаций. Высокая скорость создания подобных объектов ускоряет оборот капитала и путём наращивания количества модулей можно развивать производство до значительных масштабов, постепенно подтягивая необходимую инфраструктуру.

Привлекательность такого подхода и всёвозрастающий интерес в России и во всём мире к децентрализованному производству ценных жидких продуктов из природного газа и других углеводородных газов, а также ужесточение экологических требований при добыче нефти, подвигло в последнее десятилетие многих разработчиков к созданию новых высокоэффективных технологий.

Во многих странах ведутся работы по осуществлению одностадийного процесса синтеза метанола непосредственно из метана, минуя стадию получения синтез-газа. Пока не удалось добиться удовлетворительных результатов, как по степени конверсии, так и по селективности и отсутствует информация о попытках промышленного внедрения.

Целый ряд работ посвящён модернизации именно первой наиболее сложной и дорогой стадии получения синтез-газа.

В отличие от традиционной, рассмотренной выше энергопотребляющей технологии, предлагается использовать реакцию частичного окисления метана при высокой температуре и недостатке кислорода, что сопровождается большим тепловыделением, а процесс может быть некаталитическим.

Инженерные оформления этой идеи могут быть совершенно различными, порой просто фантастическими.

В качестве исходных агрегатов для создания генераторов синтез-газа используются энергетические агрегаты, в которых могут быть получены высокие температуры. К ним можно отнести ракетные двигатели, газовые турбины, модифицированные дизельные двигатели и др.

При выборе того или иного способа необходимо учитывать тот факт, что при парциальном окислении имеет место комбинация большого количества происходящих при этом химических реакций с различной кинетикой. В зависимости от параметров процесса таких реакций насчитывается не менее 200. Процесс в каждой из них может развиваться в том или ином направлении с образованием крайне нежелательных продуктов, например, сажи в больших количествах. Немаловажную роль играет скорость последующего охлаждения, чтобы не допустить дальнейшего прохождения реакций.

Не вдаваясь в детали, следует сказать, что агрегат, выбранный в качестве прототипа, должен выдерживать температуры до 2000К и выше, что гарантирует от высокого сажеобразования, и давления порядка 10 МПа и более для обеспечения компактности. Крайне важной является высокая гомогенность газовоздушной смеси и равномерность распределения температур во всём объёме. Одним словом, процесс в реакторе должен быть абсолютно управляемым и стабильным.

С этих позиций можно рассмотреть возможность использования различных энергетических машин в качестве генератора синтез-газа.

На протяжении последнего десятилетия сразу в нескольких организациях проводились работы по возможности использования ракетного двигателя в качестве генератора синтез-газа. Работы проводились в КБ "Энергомаш" а затем были переведены в «СТРОЙТРАНСГАЗ». Параллельно под Санкт-Петербуртогом с использованием КС была создана на одном из предприятий НПО "ЭНЕРГИЯ" с участием ИОХ РАН демонстрационная установка по производству моторного топлива через диметиловый эфир. Достоверных сведений о положительных результатах испытаний в нашем распоряжении не имеется, однако, по обеим разработкам развёрнута широкая рекламная кампания, сделано множество докладов на различных форумах и демонстрируется высокая готовность к промышленному внедрению.

Оставив на совести разработчиков декларируемые достижения, рассмотрим очевидные, с нашей точки зрения, сложности и недостатки. Действительно, параметры ракетного двигателя в принципе позволяют осуществить парциальное окисление метана с выделением большого количества тепла. Это выгодно отличает данный способ от традиционного, при котором имеет место потребление тепла. Однако ракетный двигатель генерирует высокоскоростную струю высокотемпературного газа, которую необходимо затормозить и охладить для дальнейшего использования в процессе каталитического синтеза. Конечно, можно установить котел-утилизатор, паровую турбину и другие дополнительные устройства, однако они достаточно дороги и ухудшают весогабаритные характеристики. Кроме вышеназванной, существует также проблема обеспечения высоких параметров в зоне реакции для реализации безсажевого режима и качественного состава синтез-газа с приемлемым соотношением водорода к СО. Для этого необходимо иметь давление в реакторе под 10 МПа что требует установки дожимного газового компрессора и воздушного компрессора на эти же параметры. Оба эти агрегата очень дороги и потребляют большое количество электроэнергии. На фоне всех этих "дополнительных" устройств компактный ракетный двигатель становится малозаметен. Но на этом, к сожалению, все проблемы не исчерпываются. Полученный синтез-газ необходимо охладить для удаления воды и сажи до концентраций, которые допускает используемый катализатор, т.е. практически до 0. Мало того, что при этом теряется столь дорого полученное давление. Кроме этого приходится решать проблему очистки поверхностей охлаждения от сажи. Это лишь малый перечень проблем, которые предстоит решить при создании промышленной технологии по этому принципу. Здесь сознательно не рассматриваются вопросы ресурса работы ракетного двигателя в присутствии восстановительных газов, стойкость материала сопла в этой среде и весь комплекс проблем в химико-технологической части, считая, что все они решаются на должном уровне.

По данным научных публикаций (Б.К.Нефедов и др. «Каталитические процессы переработки природного и попутного нефтяных газов в автомобильные топлива». "Катализ в промышленности", 2003, №3, стр.10-21) именно вариант "ракетного" конвертера природного газа в синтез-газ является более капиталоемким (на 5 – 12 %) в расчете на 1000 нм3 метана, чем традиционные конвертеры (паровая конверсия, двухступенчатый "Тандем"). Самым же малозатратным является конвертер на основе модифицированного дизеля – он более чем на 80 % дешевле традиционных.

Принципиальная возможность этого была предложена в Японии в пятидесятые годы прошлого века, затем проводились отдельные исследования в ГИАП, ИНХС, СИБУР; за рубежом в некоторых европейских странах и Институте нефти и газа в Чикаго США. В Институте высоких температур РАН совместно с ИОХ РАН была создана опытно-промышленная установка "СИНТОП-300" по производству метанола, высокооктанового бензина и диметилового эфира из природного газа и попутного нефтяного газа на базе промышленных агрегатов. Комплексная установка обеспечивает производство ~ 800 л метанола в сутки, создана на базе модифицированного дизельного двигателя и включает в себя полный набор оборудования, средств измерений, диагностики и автоматического управления, характерный для промышленного образца.

Многолетний опыт исследований, проведенных на установке, позволил опробовать все технические решения, которые применялись ранее и найти новые, применение которых позволяет уверенно говорить о генераторе синтез-газа (ГСГ) на базе дизельного двигателя, как о реальном факте.

Какие же преимущества даёт использование дизеля в качестве ГСГ?

Во первых, несмотря на свою столетнюю историю, он до сих пор является одним из самых распространённых силовых агрегатов без которых трудно представить целые отрасли, такие, как транспорт, нефте- и газодобыча, малая энергетика и другие. Многие страны серийно производят широкий модельный ряд дизелей с мощностями от 5 Квт до 50 Мвт. Поэтому производство ГСГ на базе дизелей может быть поставлено практически в любой развитой стране и для этого не потребуется создавать новую отрасль машиностроения. Поскольку дизель исходно создавался как транспортная машина, он достаточно лёгок, компактен и укомплектован навесными агрегатами.

Чрезвычайно важной особенностью ГСГ на базе дизеля является его многофункциональность. В нём совмещены практически все агрегаты, которые неизбежно присутствуют в реальности в рассмотренных выше технологиях, но там они находятся в виде отдельных блоков со своими системами обеспечения, управления и требуют дополнительного пространства. В такте всасывания и сжатия дизель выполняет роль компрессора, причём исходное давление может быть минимальным. В конце такта сжатия в цилиндре дизеля происходит воспламенение топливного заряда, и он выполняет функцию камеры сгорания, где температура достигает 2000К и давление поднимается до 10-15 МПа.

Воспламенение или точнее парциальное окисление метана с образованием водорода и СО при параметрах, реализующихся в такой камере сгорания, происходит за сотые доли секунды. Этого оказывается достаточно для завершения всех реакций и получения практически равновесных концентраций всех важнейших компонентов.

Преимуществом является и тот факт, что при такой малой продолжительности импульса можно говорить об адиабатическом процессе с минимальными потерями тепла, что совершенно невозможно при других способах.

И последняя уникальная функция, которая присуща дизелю в режиме ГСГ, это быстрое охлаждение (замораживание) полученных продуктов при обратном ходе поршня, когда совершается механическая работа и вращается электрогенератор, расположенный на валу двигателя. В данном случае имеет место самый компактный способ преобразования тепловой энергии в электрическую без использования дополнительных котлоагрегатов, турбин и другого оборудования. Высокая скорость химической реакции позволяет использовать современные высокооборотные двигатели с числом оборотов 1000 и даже 1500 в минуту.

Переоборудование промышленного дизельного агрегата в генератор синтез-газа в основном сводится к демонтажу наиболее дорогого и сложного оборудования топливной системы, что снижает его стоимость на 20-30 %.

Как правило, крупные промышленные дизельные агрегаты состоят из 8, 12, 16 и 20 цилиндров и при высоких оборотах процесс получения синтез-газа получается практически непрерывным и один такой ГСГ в состоянии производить до 10- 15 тыс.м3 синтез-газа в час, т.е. 10-15 тыс. тонн метанола в год .

Генератор синтез-газа может работать как на воздухе, так и на обогащённом кислородом (скажем, с помощью полимерных мембран) воздухе. Повышение концентрации кислорода позволяет на 20-40 % увеличить производительность установки, что часто бывает обосновано даже при высокой стоимости мембран.

Компактность и автономность дизельных генераторов синтез-газа позволяет без особого увеличения всего комплекса наращивать его производительность путём установки дополнительных модулей и вполне реально создание установок на 100–150 тыс. тонн жидких продуктов в год.

Химико-технологическая часть установки также сориентирована на энергосбережение. Достигается это применением однопроходного каталитического синтеза метанола и отказом от ректификации.

При работе на воздухе ГСГ производит синтез-газ забалластированный азотом. Как показал опыт, этот недостаток выливается в большое преимущество при конверсии синтез-газа в метанол, т.к. в каталитических реакторах он активно выполняет роль теплоносителя и позволяет создать изотермический процесс, при котором удаётся довести степень конверсии за один проход до 62% на блоке реакторов, отказаться от рециркуляции и без дальнейшей ректификации получить метанол-сырец или метанол технический. Три последовательно установленных реактора на установке "Синтоп-300" позволяют довести степень конверсии до 60%. Качество получаемого продукта вполне соответствует требованиям для использования его для борьбы с кристаллогидратами или сырья для получения высокооктанового бензина или диметилового эфира. Только эти мероприятия позволяют сэкономить от 10-20 % энергозатрат.

Большой интерес сегодня вызывает использование газотурбинной установки, работающей на низких коэффициентах избытка воздуха. Здесь и самый различный масштаб по производительности, и возможность непосредственного съёма электрической мощности, и достаточно высокие параметры, не говоря о компактности агрегата. Однако, при детальном рассмотрении появляется ряд факторов, снижающих эти достоинства.

При всей компактности собственно газовой турбины она имеет дожимающий газовый компрессор, потребляющий электрическую мощность, если установка работает на низком давлении газа. Ещё одна проблема связана с тем, что при малых коэффициентах избытка воздуха и сравнительно невысоких параметрах достижимых в камере сгорания ГТУ, скорость горения газовоздушной смеси крайне низка и процесс может происходить за пределами контролируемой зоны. Это чревато невысоким качеством получаемого синтез-газа и активным сажеобразованием. Очевидно, эти и многие другие проблемы пока не позволили внедрить эту идею в промышленную практику.



Поделитесь с Вашими друзьями:
  1   2


База данных защищена авторским правом ©ekollog.ru 2017
обратиться к администрации

войти | регистрация
    Главная страница


загрузить материал