Выработка сжиженного метана из низкосортных горючихс применением газогидратной технологии

  IV конференция "ТРИЗ. Практика применения методических инструментов"

Выработка сжиженного метана из низкосортных горючихс применением газогидратной технологии

В.В. Велицко

 

Наличие широкого спектра нестандартных горючих, таких как биомасса, различные каустобиолиты (торф, уголь сланцы и т.п.), а также различных горючих углеводородных газов, таких как попутный нефтяной (ПНГ), сланцевый, шахтный газ, биогаз и т.п. ставит задачу рационального использования данных видов энергоносителей. При этом рациональное использование заключается не только в сжигании для производства максимального количества энергии, но и в том, что бы энергоносители добывались, транспортировались и использовались с максимальными безопасностью (как по отношению к природе, так и по отношению к потребителю) и максимальной экономической эффективностью. При этом критерию экологическая безопасность будет соответствовать вовлечение в использование возобновляемых видов горючих, таких как биомасса (древесина и т.п.), торф и биогазы (биогаз, газ мусорных свалок).

Поддержка производства энергии из возобновляемых источников распространяется не только на выработку по «зелёным» тарифам электроэнергии и тепла, но и на производство горючих из возобновляемых источников. К последнему примеру можно отнести производство метана из биогаза и газа мусорных свалок, которое также стимулируется в странах ЕС. Однако существующие положение с производством энергии и горючих из возобновляемых источников требует их дотирования и стимулирования различными способами, т.к., в большинстве случаев, такие энергоносители неконкурентоспособны ни по себестоимости, ни по качественным параметрам в сравнении с классическими видами энергоносителей, естественно, при доступности последних и отсутствии мер государственного принуждения к использованию потребителями нестандартных энергоносителей.

Типичным примером является наличие в странах ЕС «зелёных» тарифов на скупку газоснабжающими компаниями метана, выработанного из биогаза по цене, на уровне 1 000 – 1 200 $ за 1 000 Нм³ при стоимости природного газа для конечных потребителей на уровне 500 $/1 000 Нм³. Аналогичная тарифная политика, за которую, в конечном счёте, платят потребители, существует и по другим направлениям возобновляемой энергетики. Эта ситуация связана с тем, что нестандартные энергоносителей разнотипны, имеют децентрализованную добычу, в большинстве случаев, без предварительной переработки, не могут транспортироваться по существующей энерготранспортной инфраструктуре (газо,- и нефтепроводы, продуктопроводы и т.п.). Также использование возобновляемых энергоносителей сопряжено с необходимостью установки специализированного оборудования, зачастую имеющего более высокие удельную стоимость и стоимость жизненного цикла, чем оборудование, предназначенное для потребления стандартных энергоносителей.

Изложенные выше проблемы с использованием возобновляемых энергоносителей, также, в значительной мере, относящиеся и к нестандартным невозобновляемым, а также к медленно возобновляемым энергоносителям, ставят задачу разработки малотоннажной технологии по экономически-эффективной переработке указанного сырья в квалифицированные горючие, такие как углеводородные газы (метан, пропан-бутановая смесь – СПБТ) и моторные горючие (бензин, дизтопливо, реактивное топливо). При этом необходимо обеспечить возможность использования полученных энергоносителей, в том числе и на месте их производства, что позволит минимизировать как затраты на логистику, так и затраты на локальное топливоснабжение.

Примером такой переработки является переработка ПНГ и ископаемого природного газа (ИПГ) в синтетическую нефть с применением синтеза Фишера-Тропша (СФТ). Однако данная технология неприменима для получения конечного продукта, который может быть использован на месте производства, т.к. низкая селективность процесса позволяет получать исключительно синтетическую нефть, а не только её целевые фракции (бензиновую, дизельную), что требует дополнения ГВЖ – установки (газ в жидкость или gas to liquids – GTL) нефтеперерабатывающим заводом (ПНЗ).

Учитывая, что СФТ позволяет вырабатывать широкий спектр углеводородов начиная от метана и заканчивая парафинами, применение технологии ГВЖ обусловлено несколькими факторами, такими как более высокая стоимость синтетической нефти, чем углеводородных газов, простота отделения жидкой углеводородной фракции от примесей – в первую очередь от азота, поступающего в составе воздуха в газогенератор при парциальном окисления сырья для выработки монооксида углерода и водорода, на базе которых производится СФТ, а также простотой транспорта жидких углеводородов.

Учитывая, что разрабатываемая технология приоритетно ориентировалась для использования на территории России, с возможностью унифицированной переработки в квалифицированные виды горючего различного сырья, такого как древесина, торф, низкосортные угли, нестандартны газы и т.п., изначальным условием являлось отсутствие или низкое качество автомобильных дорог, что требовало использования альтернативной транспортной инфраструктуры для вывоза и распределения полученных квалифицированных горючих. В результате введения данных условий было сформулировано техническое противоречие (ТП) №1.

ТП№1: синтезированные углеводороды, если они жидкие, при нормальных термобарических условиях, легко сепарировать и они имеют высокую отпускную стоимость, но они требуют сооружения НПЗ или завоза на место производства моторных топлив со стороны, тогда как синтезированные газообразные углеводороды (приоритетно – метан), при низкой стоимости и отсутствии известной технологии дешёвого разделения от газообразных примесей, не требуется разделять на отдельные углеводородные фракции, можно транспортировать по существующей газотранспортной инфраструктуре и можно непосредственно использовать в качестве моторных топлив.

 

Усилив ТП №1 получим, что целевой продукт – синтезированный метан, который может транспортироваться по газотранспортной инфраструктуре, не может быть дёшево очищен от примесей с использованием известных технологий газоочистки.

Выбрав в качестве полезного свойства в ТП №1 возможность транспорта метана по газотранспортной инфраструктуре, сформулируем ТП №2.

ТП №2: синтезированный метан до потребителя может транспортироваться в компактном виде, что потребует дополнительного энергозатратного передела (компримирование до 200 ати и выше или ожижение) или же метан может транспортироваться при низком давлении по локальному газопроводу, что снизит маневренность перерабатывающего комплекта по производству метана.

Усилим ТП №2: сжиженный метан имеет минимальный удельный объём при максимальной энергозатратности процесса получения (известно, что на заводах по производству СПГ для покрытия энергозатрат расходуется 30-50% ИПГ, поступающего на завод).

В качестве полезного свойства в ТП №2 выбираем возможность транспорта метана в компактном (сжиженном) виде.

Учитывая, что в компактном виде метан может быть представлен в качестве как отдельного вещества, т.е. в сжиженном виде или в виде льда или же в виде химического и/или физического соединения с другими веществами, которые помимо компактности транспортировки могут обеспечить снижение пожароопасности сжиженного метана, было сформулировано ТП №3.

ТП №3: сжиженный метан максимально компактен, но сложен в транспортировке и пожароопасен, а метан в соединении с другим веществом не столь компактен и требует дополнительного передела по превращению в метан у потребителя.

В качестве полезной функции ТП №3 выберем транспорт метана в смеси или в соединении с другим, как минимум одним веществом.

Опустим многоитерационный путь длиной в несколько лет и кратко опишем полученные результаты. Веществом, в соединении с которым метан, как и многие другие углеводородные газы, приобретает компактную форму и очень низкую пожароопасность, является вода. Этим соединением является газогидрат – гидрат метана, состоящий только из молекул воды и метана, преимущественно образуемый при воздействии пониженных температур и невысоких избыточных давлений. Гидрат метана содержит в 1 м³ 164 Нм³ метана. По энергосодержанию он, аналогичен сжатому метану и безопасен в транспортировке. На фотографии (Рис. 4) представлено горение гидрата метана на воздухе.

Газогидрат является стабильным и безопасным для транспортировки веществом. Ведущие мировые страны в настоящее время не только разрабатывают и внедряют технологии разработки природных месторождений газогидратов, но и сооружают заводы (Рис. 5) по выработке газогидратов для транспортировки морским транспортом, что обеспечивает общее снижение затрат на доставку метана в сравнении с технологией ожижения природного газа. На Рис. 5 приведены пилотные заводы, сооружённые компанией Japan Oil, Gas and Metals National Corporation (JOGMEC) для отработки технологии производства, транспорта и применения гидрата метана, а также приведена фотография гидратных пеллет.

Существующие технологии получения синтетического метана, соответствующего по составу ископаемому природному газу, из низкосортных горючих являются экономически неэффективными, т.к. требуют высоких капитальных и эксплуатационных затрат. В существующих технологических схемах в дополнение к основному технологическому оборудованию, включающему в себя оборудование по подготовке сырья, например древесины, её газификации, очистке полученного газогенераторного газа и синтезу углеводородов (в том числе и метана) требуется криогенный комплекс по производству кислорода сопоставимый по стоимости и эксплуатационным затратам с остальным оборудованием всего производства. Также, для производства  СПГ требуется сооружение энергозатратного комплекса по ожижению метана.

Разработана инновационная технология производства синтетического метана с применением процесса синтеза по методу Фишера-Тропша, отличается техническим решением, позволяющим исключить из технологической цепочки криогенный кислородный завод. Данное решение обеспечивает существенное снижение капитальных и текущих затрат, что делает рентабельным производство синтетического метана.

Весь производственный цикл инновационный технологии синтеза метана может быть реализован на базе существующего стандартного технологического оборудования.

В настоящее время патентуются ключевые технические решения предлагаемой технологии.

Суть предлагаемой технологии заключается в газификации низкосортного топлива воздухом, последующем синтезе из полученного газогенераторного газа метана и последующем одностадийном выделении метана из полученных продуктов синтеза. Выделение метана осуществляется путём его превращения в газогидрат с последующим транспортом гидрата метана на комплекс по производству LNG. В LNG гидрат метана перерабатывается путём термического разложения гидрата метана, в результате чего давление метана превышает 700 атмосфер избыточных (ати). Метан с указанным давление может ожижаться в большинстве известных установок по производству LNG, при этом не требуя дополнительных затрат на компримирование. Остаточный газообразный метан с давлением 55 ати подаётся в магистральный газопровод. LNG используется для экспортных поставок, а также для топливоснабжения парка заготовительной техники, что исключает потребность в завозе дизтоплива.

Суть разработанной технологии заключается в газификации низкосортного топлива воздухом, последующем синтезе из полученного газогенераторного газа метана и последующем одностадийном выделении метана из полученных продуктов синтеза. Выделение метана осуществляется путём его превращения в газогидрат с последующим транспортом гидрата метана на комплекс по производству СПГ. В СПГ гидрат метана перерабатывается путём термического разложения гидрата метана, в результате чего давление метана превышает 700 атмосфер избыточных (ати, BarG), при этом технология, без существенных дополнительных энергозатрат, позволяет увеличивать давление вырабатываемого метана вплоть до 4 000 ати и более. Метан с указанным давление может ожижаться по процессам, аналогичным процессам в большинстве известных установок по производству СПГ, при этом не требуя дополнительных затрат на компримирование. Остаточный газообразный метан с давлением на уровне 55 ати подаётся в магистральный газопровод. СПГ используется для экспортных поставок, а также для топливоснабжения парка заготовительной техники, что исключает потребность в завозе дизтоплива.

Технологические блок-схемы производства приведены на Рис. 6 и 7. Позиции по Рис. 6 и 7:

  1. заготовка сырья,
  2. транспорт гидрата метана на переработку,
  3. выработка электроэнергии,
  4. выработка тепла,
  5. выработка летучих зол,
  6. сброс очищенных отходящих газов,
  7. транспорт гидрата метана на переработку,
  8. выработка воды питьевого качества,
  9. заправка компримированным метаном автотранспорта,
  10. заправка LNG автотранспорта,
  11. Транспорт компримированного метана потребителями по газопроводу,
  12. Транспорт LNG железнодорожным / морским транспортом потребителям.

 

 

Рис. 6

 

 

Рис. 7

Аналогично технологиям, приведённым на Рис. 6 и 7 могут перерабатываться и нефтеоотходы. Технология переработки нефтеотходов представлена на Рис. 8. Последующая технологическая цепочка полностью аналогична технологиям переработки, представленным на Рис. 6 и 7.

Рис. 8

Ключевые особенности технологии: технология нацелена на переработку любых нестандартных метаносодержащих газов в чистый метан. Также в чистый метан могут перерабатываться органическое сырьё любого качества. Технология применима в угольных шахтах для выделения метана из шахтного воздуха, что обеспечит предотвращение взрывов шахтного газа в угольных шахтах и эффективное парирование суфлярных выбросов шахтного газа.

Технология очистки метана сопряжена с производством КПГ и СПГ, что делает процесс компримирования и производства сжиженного метана энергоизбыточным, а не энергодефицитным и позволяет отказаться от использования компрессоров для сжатия или ожижения метана. Побочными продуктами производства СПГ и КПГ являются электроэнергия и техническая вода. При этом в виде СПГ возможно производство от 60% метана и выше, тогда как остальная часть метана может подаваться потребителям в газообразном виде.

Перерабатывающие комплексы могут устанавливаться у потребителей, обладающих запасами низкосортных топлив и органических отходов коммунального (ТБО) и промышленного происхождения, а также в местах добычи нефти и горючих газов, таких как ПНГ, ИПГ и сланцевый газ.

Приоритетными потребителями являются страны, импортирующие природный газ, а также страны, нацеленные на рациональное природопользование.

Приоритетными регионами, в которых располагаются потребители, является Евросоюз и азиатско-тихоокеанский регион (АТР). Приоритетными странами, где может размещаться переработка низкосортного сырья с СПГ, являются страны СНГ (Россия, Украина, Белоруссия, Казахстан), Австралия, США, Канада, Бразилия, Индия.

По предварительным оценка реализация данной технологии в России позволит решить несколько ключевых задач, таких как экономически-эффективное использование торфяников и низкосортной древесины, экономическое стимулирование развития депрессивных регионов и неудобных земель, к которым отсутствует подвод энергоносителей с созданием на них новых сельскохозяйственных и перерабатывающих производств и эффективное производство по конкурентоспособным ценам на уровне более 90 млрд. нм³ метана в год по России, для чего потребуется 1 – 1,5 тыс. головных производств и 10 – 20 тыс. заготовительных производств суммарной стоимостью 20 – 40 млрд $. При этом комплектные производства могут полностью изготавливаться в России, что напрямую создаст на уровне 300 тыс. рабочих мест без учёта мультипликативного эффекта, а также эффекта от того, что будет развёрнута параллельная газотранспортная инфраструктура, наличие которой также обеспечит стимулирование всех сфер промышленного производства.

 

Литература

  1. Klinkhammer G. Фотография горения гидрата метана // Интернет, Oregon State University’s College of Oceanic and Atmospheric Sciences.
  2. Хавкин А.Я., Велицко В.В. Очистка шахтного газа от метана // Содействуя экономическому развитию России. Проекты международного общественного фонда «Фонд содействия экономическому развитию им. Байбакова Н.К.» за 1996–2011 гг. // М., Нефть и газ, 2011, с. 117–118.
  3. Велицко В.В., Хавкин А.Я. Очистка шахтного воздуха от метана с применением газогидратных технологий // Естественные и технические науки, 2012, №1, с.150–162.

 

Алфавитный указатель: 

Рубрики: 

Subscribe to Comments for "Выработка сжиженного метана из низкосортных горючихс применением газогидратной технологии"