Разработка технологии получения синтетических жидких топлив в ОАО «Газпром»

і ИННОВАЦИИ

Разработка технологии получения синтетических жидких топлив в ОАО «Газпром»

И.Б. Кессель, начальник лаборатории моторных топлив ООО «ВНИИГАЗ», к.т.н.

Д.А. Мирошниченко, начальник лаборатории синтетических жидких топлив ООО «ВНИИГАЗ», к.т.н.

В последнее десятилетие крупнейшие мировые нефтегазовые компании разрабатывают и совершенствуют технологии для создания производств синтетических жидких топлив (СЖТ) из природного газа. Необходимость развития технологий производства СЖТ в мире обусловлена истощением запасов нефти и возрастающими экологическими требованиями к моторным топливам.

К 2020 г. потребление нефтепродуктов в мире может возрасти по различным оценкам на 20-50%, поэтому следует ожидать сохранения или повышения уровня экспортного спроса на российские энергоносители, особенно с учетом выхода России на энергетические рынки Азиатско-Тихоокеанского региона. Объем спроса на российские энергоносители будет ограничиваться только их конкурентоспособностью.

Реальная стоимость природного газа на рынках Западной Европы, Северной Америки, Японии делает производство СЖТ экономически неэффективным. Отсюда следует важный вывод: проекты производства СЖТ выгодны только для стран со значительными ресурсами относительно недорогого газа, а самыми значительными запасами такого газа располагает Россия и, естественно, ОАО «Газпром».

Для ОАО «Газпром» создание производства экологически чистых СЖТ связано с необходимостью решения ряда проблем:

создание эффективной системы транспортировки энергоносителей из отдаленных труднодоступных месторождений;

рациональная утилизация гигантских ресурсов так называемого низконапорного газа месторождений Надым-Пур-Тазовского района, а впоследствии и месторождений п-ва Ямал;

вовлечение в переработку попутного нефтяного газа и природного газа малых и средних месторождений Восточной Сибири.

В соответствии с Постановлением Правления ОАО «Газпром» ООО «ВНИИГАЗ» — головной научный центр газовой промышленности, -

начиная с 2003 г., проводит разработку коммерческой крупнотоннажной технологии производства СЖТ. Для решения данной задачи на первом этапе был проведен предварительный инвестиционный анализ по проблеме создания индустрии синтетических жидких топлив в России.

Выполненные ООО «ВНИИГАЗ» исследования показали, что, несмотря на неослабевающий в последнее десятилетие интерес к рассматриваемому процессу, большое количество заявленных в период 2000-2005 гг. проектов крупнотоннажных заводов не было реализовано, либо они были перенесены на более поздний срок. Причинами этого, на наш взгляд, являются относительно высокий уровень капи-

в опытно-промышленной установке реализованы основные технические решения которые впоследствии будут применены при создании установок получения СЖТ большей мощности

таловложений и высокая степень риска при внедрении инновационных технологий.

В России не существует крупнотоннажной, готовой к реализации коммерческой технологии производства СЖТ. Тем не менее, научноисследовательские организации России располагают достаточно серьезной научной базой в рассматриваемой области, а поставка значительной части оборудования может быть обеспечена отечественными проектными и машиностроительными предприятиями.

Известные технологии производства топлив из природного газа (gas to liquid) не имеют принципиально разных подходов в построении технологической цепочки. На первой стадии получают синтез-газ, вторая стадия — синтез Фише-ра-Тропша и третья — ректификация и последующий гидрокрекинг (или гидроизомеризация) тяжелых фракций углеводородов. Таким образом, основные отличия технологий и, соответственно, пути их оптимизации заключаются в минимизации энергозатрат и поиске оптимального аппаратурного оформления процессов.

По всей видимости, масштабная реализация проектов производства синтетических топлив начнется после 2015 г. К этому времени будет сформирован рынок альтернативных топлив, и уровень отработки технологий позволит говорить о возможности существенного снижения рисков реализации проектов производства синтетических топлив. Однако следует отметить, что в мире практически не осталось ни одной крупной нефтегазовой компании, не располагающей собственной технологией по производству топлив из газа, при этом все компании стремятся войти в число участников возможного проекта создания завода СЖТ и не лицензируют свои разработки.

Принципиальная технологическая схема производства СЖТ представлена на рис. 1.

18 ГАЗОХИМИЯ I сентябрь-октябрь 2008 года

ИННОВАЦИИ

Рис. і

Технологическая схема производства синтетических жидких топлив

сС

О

Q.

О

§

m

Существующие отечественные технологии

Технология разрабатывается ООО «ВНИИГАЗ»

На схеме выделены «узкие» места в технологии, в направлении которых ООО «ВНИИГАЗ» выполняет комплекс научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ.

При разработке процесса синтеза Фишера-Тропша первая задача заключается в выборе типа реактора.

К настоящему времени ВНИИГАЗ и ФГУП НИФХИ им. Л.Я. Карпова были выполнены работы по анализу, сравнению и патентной проработке известных способов организации процесса синтеза Фишера-Тропша с целью выявления наиболее перспективных. Кроме этого, анализ включал изучение опыта разработки и изготовления реакторов различных конструкций отечественной машиностроительной промышленностью.

На сегодняшний день известны следующие типы реакторов процесса синтеза Фишера-Тропша: трехфазные суспензионные реакторы (slurry reactor), реакторы с псевдоожиженным слоем катализатора, а также трубчатые, полочного типа (аксиальные реакторы) и радиальные реакторы.

Рассмотрим подробнее каждый тип реакторов.

Суспензионные реакторы

Реакторы данного типа используются фирмами Exxon (США), Sasol (ЮАР) и др.

К достоинствам данного типа реакторов относятся:

простота конструкции;

процессы внутренней диффузии не оказывают существенного влияния на протекание и селективность реакции;

изотермичность.

Недостатками данных реакторов

являются:

ограничение концентрации катализатора в суспензии (не более 20-25 % масс.);

большая высота (более 20 м);

необходимость включения в технологическую схему сложной стадии разделения продуктов реакции и катализатора;

из-за особенностей гидродинамики данный тип реактора плохо поддается масштабированию, следовательно, при создании реактора, ориентированного на большую производительность, необходимо создать достаточно много опытных реакторов с меньшей производительностью;

отечественная промышлен-

ность к настоящему времени не имеет опыта создания реакторов данного типа.

Реакторы с псевдоожиженным слоем катализатора

Реакторы с псевдоожиженным слоем циркулирующего катализатора использовались компанией «Sasol». В настоящее время данный тип реактора не рассматривается как перспективный.

Процесс, использующий традиционный вариант реактора с псевдоожижением, промышленного применения не нашел.

Недостатками данного типа реакторов являются:

сложность и дороговизна конструкции;

низкое содержание катализатора в реакционном объеме;

низкий срок службы катализатора.

Трубчатые реакторы

Реакторы данного типа используются компаниями Shell, Sasol и др.

Достоинствами данного типа реакторов являются:

простота масштабирования;

большой опыт отечественной и зарубежной промышленности в из-

сентябрь-октябрь 2008 года I ГАЗОХИМИЯ 19

ИННОВАЦИИ

Рис. 2

] Блок-схема опытно-промышленной установки

Углекислый газ

Природный газ Водород

Отделение

сероочистки

Диоксид углерода

— I

Блок выделения диоксида

Отделение

конверсии

Синтез-газ

Отделение

компримирования

синтез-газа

готовлений и эксплуатации реакторов данного типа;

долгий срок службы катализатора;

изотермичность;

высокая концентрация катализатора в единице реакционного объема.

Недостатки трубчатых реакторов вызваны тем, что промышленный реактор состоит из большого количества трубок (около 10000 шт.), длиной порядка 10 м и диаметром не более 60 мм. Отсюда вытекают:

высокие капитальные вложения;

высокое гидравлическое сопротивление;

сложность загрузки и выгрузки катализатора.

Реакторы полочного типа

Реакторы данного типа широко используются в отечественной промышленности (производство аммиака, метанола и др.), благодаря чему накоплен широкий опыт проектирования, изготовления и эксплуатации данных реакторов.

Процесс синтеза Фишера-Тропша в реакторах данного типа протекает адиабатически. Реакция синтеза протекает с выделением значительного количества тепла, что может привести к перегреву катализатора (при срабатывании 1% оксида углерода температура газовой смеси возрастает примерно на 15°С). Это приводит к ограничениям по степени превращения на одной полке. Согласно проведенным расчетам степень превращения оксида углерода на одной полке катализатора должна составлять 2,5-3%. В этом случае температура газа на выходе

из слоя не превысит предельной температуры работы кобальтового катализатора (240оС).

Из-за низкой степени превращения оксида углерода на одной полке возникает необходимость создания многополочного реактора с охлаждением реакционного газа между полками. Поскольку для достижения степени превращения оксида углерода равной 25% необходимо не менее 10 полок, то такой реактор будет иметь высокое гидравлическое сопротивление.

Кроме этого, в таком реакторе сложно обеспечить межступенчатое охлаждение реакционного газа, при этом традиционная система с вводом холодных байпасов между полками катализатора кроме конструкционных сложностей и нерационального использования тепла имеет еще один недостаток — при таком способе охлаждения может произойти конденсация синтезированных углеводородов и слой катализатора будет залит.

Использование реакторов данного типа исследовалось компанией Lurgi в опытной установке синтеза Фишера-Тропша, но дальнейшего продвижения эти разработки не получили.

Чтобы избежать недостатков, присущих полочным адиабатическим реакторам, было принято ре-

важнейшие достоинства реактора радиального типа заключаются в равномерном распределении газа в слое катализатора, что препятствует локальному перегреву катализатора

шение использовать для проведения процесса Фишера-Тропша на опытно-промышленной установке каскада радиальных реакторов с межступенчатым охлаждением реакционного газа в выносных холодильниках-конденсаторах. Кроме этого, для повышения степени превращения оксида углерода на всей установке до 90-95% было предложено обеспечить циркуляцию реакционного газа.

Реакторы радиального типа широко используются в отечественной и зарубежной промышленности: реакторы конверсии CO, реакторы хемосорбционно-каталити-ческой сероочистки. Рабочий объем катализатора в радиальных реакторах составляет до 40 м3.

Важнейшие достоинства реактора радиального типа заключаются в равномерном распределении газа в слое катализатора, что препятствует локальному перегреву катализатора, а также в низком гидравлическом сопротивлении, которое практически не меняется в ходе эксплуатации.

Учитывая вышеперечисленные недостатки существующих реакторных схем применительно к работе катализатора, ВНИИГАЗ совместно с ФГУП НИФХИ им. Л.Я. Карпова к настоящему времени разработали реактор радиального типа, конструкция которого позволяет сократить капитальные затраты за счет большей удельной производительности.

Следующая задача заключается в выборе организации технологической схемы.

Разработанная ФГУП НИФХИ им. Л.Я. Карпова и ООО «ВНИИГАЗ» технологическая схема процесса синтеза Фишера-Тропша представлена на рис. 2.

Для расчета процесса и технологической схемы опытно-промышленной установки производства СЖТ была разработана математическая модель и программа расчета. С помощью данной программы был проведен расчет крупнотоннажного производства СЖТ. Полученные результаты сравнивались с результатами независимого расчета, проведенного для аналогичного производства равной мощности.

С помощью данной методики был проведен расчет опытно-промышленной установки получения СЖТ из природного газа производительностью до 100 кг/сут. по продукту. Также были выпущены исходные данные на проектирование данной установки.

20 ГАЗОХИМИЯ I сентябрь-октябрь 2008 года

ИННОВАЦИИ

Для осуществления процесса синтеза ООО «ВНИИГАЗ» совместно с ИОХ им. Н.Д. Зелинского РАН разработали высокоактивный гранулированный кобальтовый катализатор. Для разработанного катализатора изучено влияние содержания кобальта и промотора природы носителя, метода приготовления, технологических факторов процесса (температуры процесса, общего и парциального давления компонентов, объемной скорости); проведено физико-химическое исследование катализаторов.

Разработаны технические условия и регламент на производство катализатора синтеза высших углеводородов, на основании которых на Новокуйбышевском заводе катализаторов наработана опытнопромышленная партия.

Одновременно с этим ВНИИГАЗ проводит совместные работы с Институтом катализа им. ГК. Бореско-ва СО РАН по использованию мембранного катализатора СФТ. Параметры указанных катализаторов позволяют использовать их в реакторах стендовой установки СЖТ ООО «ВНИИГАЗ».

В опытно-промышленной установке реализованы основные технические решения, которые впоследствии будут применены при создании установок получения СЖТ большей мощности. Проведение исследований на опытно-промышленной установке позволит выявить и отработать режимы работы процесса получения СЖТ.

Для создания коммерчески эффективной промышленной технологии была разработана программа работ по созданию отечественной технологии производства СЖТ, которая предусматривает строительство стендовой и пилотной установок на опытно-экспериментальной базе ООО «ВНИИГАЗ», а также опытно-промышленной установки на одной из площадок ОАО «Газпром».

Для отработки технологии производства СЖТ в ООО «ВНИИГАЗ» создана стендовая установка, которая предназначена для проведения экспериментальных работ по получению СЖТ и диметилового эфира (ДМЭ) из синтез-газа, в широкой области режимов, отвечающих промышленным условиям. Полученные на стендовой установке экспериментальные данные позволят перейти к разработке и промышленному внедрению полной схемы производства СЖТ — от подготовки при-

родного газа до получения высококачественной товарной продукции.

Стендовая установка (рис. 3) включает пять технологических блоков (три — для отработки стадии синтеза Фишера-Тропша и два — для отработки синтеза ДМЭ).

Стендовая установка предназначена для:

проведения отработки режимов восстановления и пассивации катализаторов получения СЖТ и ДМЭ;

изучения работы радиального реактора получения СЖТ;

изучения и экспериментальной проверки теоретически полученных закономерностей процесса конденсации синтезируемых продуктов;

Рис. 3. Стендовая установка получения СЖТ

изучения процесса растворимости танковых газов в синтезируемых продуктах;

экспериментальной проверки разработанной математической модели процесса синтеза Фишера-Тропша;

исследования кинетики процесса;

исследования и оптимизации термодинамических параметров процесса с целью выдачи рекомендаций по технологическим режимам;

сравнения эффективности отечественных и зарубежных катализаторов получения СЖТ;

обучения операторов будущих заводов по производству СЖТ.

При разработке оборудования и технологической схемы для стендовой установки приняты параметры (температура, давление, состав синтез-газа, объемные скорости) промышленной установки.

В качестве сырья для работы стен-

довой установки используется готовая газовая реакционная смесь, поставляемая в баллонах. Газовая смесь, состоящая из водорода, оксидов углерода и инертных компонентов (азота), имитирует циркуляционный газ промышленного цикла синтеза СЖТ.

Для управления стендовой установкой создана автоматизированная система управления технологическими процессами получения СЖТ и ДМЭ. АСУ ТП стендовой установки строится на базе современных технических и программных средств.

Для оперативного контроля ВНИИГАЗ была разработана схема аналитического контроля работы стендовой установки получения

СЖТ и ДМЭ. Практическая реализация данной схемы выразилась в создании современного комплекса аналитического контроля, включающего в себя лабораторные и поточные хроматографы, поставленные ведущими зарубежными компаниями, а также лаборатории химического и физико-химического анализа.

В июне 2008 г. завершены монтаж и предварительная наладка систем стендовой установки. К концу 2008 г. будут закончены работы по технологической пуско-наладке стендовой установки и ее вводу в эксплуатацию.

После проведения в ВНИИГАЗ комплексных научно-исследовательских работ ОАО «Газпром» будет располагать собственной технологией и необходимыми данными для выполнения обоснования инвестиций и проектирования первой опытно-промышленной установки производства СЖТ из природного газа.

сентябрь-октябрь 2008 года I ГАЗОХИМИЯ 21