ХИМИЯ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА, 2008, № 3, с. 6-8
УДК 541.128; 665.75
ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ СИНТЕТИЧЕСКОГО ЖИДКОГО ТОПЛИВА НА ОСНОВЕ ПЕРЕРАБОТКИ ТВЕРДЫХ ГОРЮЧИХ ИСКОПАЕМЫХ И ПРИРОДНОГО ГАЗА
© 2008 г. Д. Н. Каган*, А. Л. Лапидус**, Э. Э. Шпильрайн*
*Объединенный институт высоких температур РАН, Москва E-mail: d.n.kagan@mtu-net.ru **Институт органической химии им. НД. Зелинского РАН, Москва E-mail: albert@ioc.ac.ru Поступила в редакцию 30.11.2007 г.
Предложена технология получения синтетического дизельного и реактивного топлива на основе переработки твердых горючих ископаемых и природного газа на малогабаритных установках низкого давления. На основе данных термодинамического анализа и результатов разработки высокоактивных катализаторов, селективных по отношению к дизельным и реактивным фракциям и обеспечивающих максимальные выходы целевых продуктов в однопроходном режиме, обоснована возможность малостадийности процесса.
В течение ближайших десятилетий главным источником получения энергии в стационарных и транспортных установках останется органическое топливо. Основными проблемами при этом являются как повышение энергоэффективности его получения и применения, так и минимизация неизбежного экологического ущерба. Анализ состояния топливно-энергетического комплекса России [1-3] показывает, что задачу получения синтетических моторных топлив (как альтернативы падающей и дорожающей нефтедобыче) наряду с развитием крупномасштабного производства следует рассматривать в качестве локальной со сравнительно небольшими единичными масштабами соответствующих производств. Это позволит при ограниченных капиталовложениях, которые под силу потенциальным потребителям, за относительно короткие сроки решить проблему автономного обеспечения их моторными топливами. Что касается целевого продукта технологии, то с учетом протяженности дорог России и трудности создания в ряде отдаленных регионов плотной сети автозаправочных станций задачей технологии должно стать получение топлива, обладающего максимальной теплотой сгорания (чтобы обеспечить наибольшую длину независимого пробега) и возможностью полностью использовать существующую инфраструктуру заправочной сети, хранения топлива и моторостроения. Этим обоим требованиям одновременно отвечают синтетические жидкие топлива
(СЖТ) углеводородного типа. Цель предлагаемой разработки - создание малостадийной технологии производства синтетических дизельных и реактивных топлив через синтез-газ, полученный газификацией угля или конверсией природного газа. Последний вариант (как менее капиталоемкий) имеет более близкую перспективу применения.
Анализ современного состояния разработок показал, что каждая из них предлагает многостадийный процесс, направленный либо на обеспечение широкого спектра потребностей химической технологии и не преследует цели высокого выхода моторных фракций (в технологии Sasol), либо на производство промежуточного продукта (например, высокомолекулярных парафинов С > > 20 в технологии Shell или метанола в технологии Mobil), который для получения моторных топлив требует полной переработки и соответственно необходимых дополнительных стадий технологии, поэтому указанная выше цель разработки потребовала новых научных и инженерно-технических решений.
Разрабатываемый процесс (на примере варианта получения синтез-газа конверсией природного газа, получение синтез-газа газификацией угля рассмотрено в [4]) включает в себя (помимо завершающей упрощенной стандартной стадии фракционирования) последовательно две основные стадии: получение синтез-газа, осуществляемое комбинированной (Н20/С02) конверсией ме-
ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ СИНТЕТИЧЕСКОГО ЖИДКОГО ТОПЛИВА
7
Принципиальная схема технологии. Основная технология (1-4): 1 - комбинированная (Н2О/СО2) конверсия метана в синтез-газ (СО + 2Н2); 2 - селективный ФТ-синтез; 3 - разделение жидких продуктов (фракции С7-С20, Н2О; ВМП (высокомолекулярные парафины) <3%, ROH: Cj-Cg < 2%); 4 - разгонка полученных жидких углеводородов: ДТ, РТ, Б (дизельное топливо, реактивное топливо, бензин-растворитель). Возможные дополнительные стадии (5-7) (при специальных требованиях к топливу): 5 - шифт-конверсия (получение Н2, СО2); 6 - адсорбция-десорбция СО2; 7 - гидрооблагораживание.
тана (Р ~ 1 МПа, г = 750-850°С), обеспечивающей высокую степень конверсии и тонкую регулировку состава синтез-газа за 1 проход, а также высокоселективный по отношению к дизельной и реактивной фракциям синтез Фишера-Тропша (Р ~ ~ 1 МПа, г = 180-200°С), позволяющий непосредственно в однопроходном процессе получать высокие выходы этих фракций (С7-С20) с хорошими эксплуатационными и экологическими показателями.
На рисунке представлена принципиальная схема технологии [5] с необходимыми пояснениями; блоки 1-4 на схеме соответствуют основной технологии, блоки 5-7 - дополнительные (при специальных требованиях к топливу).
Малостадийность процесса обеспечивается отсутствием рециклинга по основному технологическому потоку (за счет максимальных выходов целевых продуктов в однопроходном режиме) и стадий переработки промежуточных продуктов, таких, как метанол (технология ЫвЬИ), или высокомолекулярные парафины (технология БЬвН).
В основе технологического решения лежит предварительная оптимизация термодинамических параметров с целью выявления режимов с максимальной термодинамической вероятностью получения топлива требуемого состава [6, 7] и разработка высокоэффективных катализаторов на основе кобальтовых систем [8], обеспечивающих регулирование процесса по выходам, селективности, углеводородному составу и структуре целевого продукта с получением жидких углеводородов (непосредственно в синтезе) с высокими моторными и экологическими характеристиками.
Поскольку второй стадией процесса (синтез СЖТ из синтез-газа) является синтез Фишера-Тропша по реакции (при получении парафиновых углеводородов)
пСО + (2 п + 1) Н2 ^
(1)
^ СпН2п + 2 + пН2О + п(~165 кДж),
оптимальным составом синтез-газа (т.е. целевого продукта первой стадии - конверсии природного газа в синтез-газ) является
Н2/СО - 2 + 1/п, (2)
где п - углеродное число получаемых углеводородов.
Анализ методов конверсии метана в синтез-газ [5] показал, что с точки зрения возможности тонкой регулировки состава с достижением условия (2) (при степени конверсии метана за один проход до 80-85%), по уровню технологической отработки и приемлемости для рассредоточенных потребителей оптимальной является принятая в данной технологии пароуглекислотная конверсия метана
3СН4 + 2Н2О + С02 + 659 кДж ^ 4(СО + 2Н2). (3)
Условию (2) отвечают также различные виды парциального окисления метана [9]
СН4 + 1/2О2 ^ СО + 2Н2 + 36 кДж, (4)
однако осложняющим фактором для применения этого процесса является необходимость кислородной станции, что связано с дополнительными технологическими и экономическими трудностями.
Разработка стадии конверсии для давлений, соответствующих исходным давлениям природ-
ХИМИЯ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА < 3 2008
8
КАГАН и др.
ного газа на низконапорных скважинах (Р ~ 1 МПа), позволяет осуществить проведение всего процесса (как конверсии природного газа в синтез-газ, так и синтеза жидких углеводородов из синтез-газа) при этом давлении и, следовательно, исключить какое бы то ни было компримирование природного газа на входе в блок конверсии 1 и синтез-газа между блоками конверсии 1 и синтеза 2.
Ключевые характеристики процесса - термодинамика, катализаторы с результатами испытаний в зависимости от давления, относительной объемной скорости, температуры, технологическая схема с указанием всех физико-химических параметров и детальным описанием стадий конверсии природного газа в синтез-газ, синтеза жидких углеводородов, фракционирования, материальный баланс процесса, свойства синтетического дизельного топлива и экологические характеристики технологии и топлива - рассмотрены в [5].
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Капустин В.М., Кукес С.Г., Бертолусини Р.Г. Нефтеперерабатывающая промышленность США и бывшего СССР. М.: Химия, 1995. 304 с.
2. Gradassi M.J. // Gas-to-Liquid R&D: Setting Cost Reduction Targets. 6th Natural Gas Conversion Symposium, Alaska, USA, June 17-21, 2001, article 70.
3. Брагинский О Б. Нефтегазовый комплекс мира. М.: Нефть и газ, 2006. 640 с.
4. Химические вещества из угля / Под ред. Фальбе Ю. М.: Химия, 1980. 616 с.
5. Каган Д.Н., Кречетова Г.А., Шпильрайн Э.Э. Малостадийный процесс получения синтетических моторных топлив из природного газа на малогабаритных установках низкого давления. Технология. Экономика: Препринт № 8-473. М.: ОИВТ РАН, 2004. 59 с.
6. Yoshimura Y., Shokubai T. // Catalysts and Catalysis. 1998. V. 40. № 8. P. 608.
7. Жоров Ю.М. Термодинамика химических процессов. Нефтехимический синтез, переработка нефти и природного газа: Справочник. М.: Химия, 1985. 464 с.
8. Лапидус АЛ., Крылова А.Ю. Состояние и перспективы разработок в области промышленного осуществления синтеза углеводородов из СО и Н2 // Газохимия в XXI веке, проблемы и перспективы. М.: Нефть и газ, 2003. С. 119.
9. Арутюнов B.C., Крылов О.В. Окислительные превращения метана. М.: Наука, 1998. 361 с.
Technology for the Production of Synthetic Liquid Fuel Based on the Conversion of Solid Fossil Fuels and Natural Gas
D. N. Kagana, A. L. Lapidusb, and E. E. Shpil'raina
a Joint Institute for High Temperatures, Russian Academy of Sciences, ul. Izhorskaya 13/19, Moscow, 127412 Russia
e-mail: d.n.kagan@mtu-net.ru b Zelinsky Institute of Organic Chemistry, Russian Academy of Sciences, Moscow, Leninskii pr. 47,119991 Russia
e-mail: albert@ioc.ac.ru Received November 30, 2007
A technology is proposed for the production of synthetic diesel and jet fuels based on the conversion of solid fossil fuels and natural gas at small-scale low-pressure plants. Based on thermodynamic analysis data and the results of the development of highly active catalysts, which are selective for diesel and jet fractions and afford maximum yields of target products in single-run mode, the possibility of performing the process in a small number of stages is substantiated.
ХИМИЯ ТВЕРДОГО Т
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.