Каренов Р.С.
Карагандинский государственный университет им. Е.А.Букетова (E-mail: [email protected])
Көмірден синтетикалық сұйық отын алу идеясының пайда болуы жəне оның жүзеге асуы ашылып көрсетілген. Қоңыр жəне тас көмірлерден сұйық отын өндіру техникасы мен технологиясының қазіргі кездегі жай-күйі қарастырылған. Көмірден синтетикалық сұйық отын алудың жаңа технологиялары мен үдерістерінің өзіндік ерекшеліктері қарастырылған. Шет елдерде көмірден синтетикалық сұйық отын алу өндірісінің дамуы жəне оның тиімділігі талданған. Көмірді жерасты газдандыруда бөлінетін газдардан аммиак, метанол жəне сұйық отын өндіру технологиясының принципті сызбасы келтірілген.
Қазақстанның жекелеген кен орындарындағы көмірлерді терең химиялық өңдеу деңгейінің сипатына көңіл бөлінген. Табиғи газ бен көмірді тиімділігі жоғары жəне экологиялық таза синтетикалық мотор отындарының құнды түрлеріне ұқсату тиімділігіне баға берілген.
Origin and implementation of the idea of reception of synthetic liquid fuel from coal is revealed. The current state of technics and the production technology of liquid fuel from brown and black coals are revealed. Prom- inent features of new technologies and processes of reception synthetic liquid from coal are considered. Effi- ciency of development of synthetic liquid fuel manufacture on the basis of extracting coals abroad is ana- lyzed. The circuit diagram of manufacture of ammonia, methanol and liquid fuel from gas of underground ga- sification of coal is suggested. Attention is paid to the condition of development of deep chemical processing of coals of separate Kazakhstani coalfields. The efficiency estimation of processing natural gas and coal into valuable kinds of highly effective and non-polluting synthetic motor fuel is given.
Современное состояние техники и технологии производства синтетического жидкого топлива
Производство синтетического жидкого топлива из твердых горючих ископаемых, в частности из бурых и каменных углей, имеет относительно длинную историю. Первые опыты по решению этой проблемы на основе метода гидрогенизации были проведены в Германии Ф.Бергиусом.
Каренов Р.С.
Поскольку нефть и уголь близки по химическому составу, Ф.Бергиус полагал, что не должно быть принципиальной разницы в поведении полимерных веществ, из которых состоит уголь, и тяже- лых углеводородов, составляющих нефть, при гидрогенизации под высоким давлением и повышен- ных температурах.
Поэтому исследователь и воспользовался тем же методом гидрогенизации без катализаторов в опытах по ожижению угля, сначала полученного им искусственно, а затем природного каменного и бурого.
При сравнительном изучении поведения разных углей в процессе гидрогенизации под высоким давлением ученый сделал одно очень важное наблюдение. Оказалось, что золообразующие компоненты (SiО2, Al2O3, CaO, MgO и др.) не оказывают заметного отрицательного влияния на превращение угля и низкосортные, малоценные угли для обычного применения вполне пригодны для ожижения.
Разработанный Ф.Бергиусом на основе глубоких и обстоятельных исследований, новый способ ожижения угля открывал возможность получения искусственного жидкого топлива из самых деше- вых его сортов, и прежде всего из бурого угля.
В августе 1913 г. Ф.Бергиусу был выдан в Германии (а годом позже и во Франции) патент на его открытие.
Автор утверждал, что при нагревании угля в течение 12–15 ч при температуре около 400 ºС и давлении водорода 20 МПа можно получить 85 % летучих веществ и растворимых продуктов. При этом расход водорода составляет примерно 10 % [1].
В 1922 г. городе Рейнау вблизи Мангейма была пущена первая полупромышленная установка, на которой жидкое топливо из угля получали непрерывным методом. Прошло еще пять лет и неподале- ку от крупных залежей бурого угля в городе Мерзебурге известной немецкой фирмой «Фарбенинду- стри» (с которой Бергиус заключил контракт на десять лет) был построен крупный завод для получе- ния искусственного жидкого топлива из угля производительностью 100 тыс. т в год. В 1935 г. анг- лийская компания «Стандарт Ойл» построила большой завод по переработке угля и угольной смолы, который вырабатывал 100 тыс. т бензина в год.
В дальнейшем на заводах непрерывно шло совершенствование гидрогенизации углей и смолы.
Были разработаны эффективные способы защиты аппаратуры от коррозии и повышения ее надежно- сти в условиях работы при высоких температурах и давлениях. И, что особенно важно, для получения дешевого моторного топлива были найдены и освоены методы использования всех побочных про- дуктов и отходов, а также выделяющегося тепла.
В 1940 г. в разных странах (Великобритания, Япония и др.) уже работали двадцать заводов, на которых жидкое топливо получали из угля путем его гидрогенизации.
Наибольшего подъема промышленность искусственного жидкого топлива достигла в 1940–
1943 гг., когда годовой объем его производства во всем мире оценивался 7–8 млн. т, что составляло около 2 % нефтедобычи тех лет. В тот период в мире было около 48 крупных заводов искусственного жидкого топлива.
Больше всего заводов (примерно половина), на которых вырабатывалось тогда около двух тре- тей общего объема мирового производства жидкого топлива, находилось в Германии. Продукция германских заводов покрывала почти 75 % потребности страны в жидком топливе и 100 % — в авиа- ционном бензине [1].
Широкие исследования по получению синтетического жидкого топлива из угля проводились в довоенные годы и в бывшем Советском Союзе. Были построены опытные установки в Харькове, Ке- мерове и Челябинске. Во время Великой Отечественной войны и в послевоенный период были введе- ны в эксплуатацию три завода полукоксования угля в Черемхове, Ленинск-Кузнецком и Ангарске, на которых вырабатывалось жидкое топливо путем гидрогенизации смолы, получаемой, в свою очередь, на основе полукоксования черемховских и кузнецких каменных углей.
В начале 50-х годов в Новочеркасске был построен цех по производству жидкого топлива на ос- нове газификации твердых горючих ископаемых с последующим превращением газа в жидкие про- дукты по методу Фишера–Тропша. Суточная производительность цеха по газу составляла 80 тыс. м3, а по суммарным углеводородам — 200 т [2].
Строительство и эксплуатация заводов указанного выше профиля во всех странах сохранялись до 50-х годов прошлого столетия, т.е. до открытия и освоения крупных высокоэкономичных место- рождений нефти в СССР, на Ближнем Востоке, в Северной Африке и других регионах мира. В по- следующие годы по этой причине и причинам экономического характера многие заводы по произ-
Состояние и развитие научно-…
водству синтетического жидкого топлива из углей были переориентированы на выработку другой продукции.
Дешевизна нефти, умело поддерживаемая политическими и экономическими маневрами транс- национальных монополий, определила в 50–60-х годах однобокость топливно-энергетических балан- сов европейских капиталистических стран: они ограничивались неглубокой переработкой импорти- руемой нефти, мазут постепенно вытеснял уголь, добыча которого неуклонно падала. Доля угля в производстве энергии во многих развитых странах мира снизилась до 20–25 %. Поэтому проблема производства жидкого топлива из угля была отодвинута на задний план. Однако уже в начале 60-х годов стало ясно, что беспрецедентный рост потребления нефти как основного источника энергоре- сурсов не может продолжаться бесконечно. Кроме того, в 70-х годах стоимость нефти на мировом рынке резко возросла. Большинство стран-потребителей нефти вступили в полосу энергетического кризиса, и вновь внимание привлек уголь как источник энергии, сырья для получения жидкого топ- лива, газа и химикатов.
В 70–80-е годы XX века проблема производства жидкого топлива и газа из угля и горючих слан- цев стала интенсивно разрабатываться в ряде стран мира, главным образом в США, где ресурсы неф- ти ограничены, а запасы дешевых углей и сланцев значительны. Исследования стали проводиться в Великобритании, ФРГ, Японии, Индии и КНР.
Например, в Великобритании работы по ожижению угля в эти годы были сосредоточены в На- учно-исследовательском институте угля Национального управления угольной промышленности и направлены на создание технологических процессов и оборудования для производства жидкого топ- лива и химического сырья. Были разработаны двухстадийные процессы, предусматривающие перво- начальную мягкую термодеструкцию компонентов угля в присутствии растворителя с последующим удалением нерастворившегося остатка и минеральных веществ и каталитический гидрокрекинг из- влеченного вещества. Применение двух стадий обеспечило гибкость при выборе исходного сырья и получение разнообразных продуктов, а также позволило более эффективно использовать водород. В середине 1981 г. была подготовлена техническая документация на сооружение опытной установки производительностью около 25 т угля в сутки. Кроме того, была изучена возможность объединения процессов извлечения жидких продуктов и гидрокрекинга. Было проведено несколько эксперимен- тальных прогонов установки, охватывающих до 20 последовательных циклов. Каждый цикл включал увеличение жидкого продукта и гидрокрекинг с регенерацией растворителя, используемого для по- вторной циркуляции до этапа извлечения жидкого продукта. Работа установки в течение 1000 ч была достаточно стабильной, а качество катализатора оставалось удовлетворительным и после 2 000 ч ра- боты [3].
Начиная с 70–80-х годов прошлого столетия проблемы переработки твердых горючих ископае- мых в жидкое топливо стали активно обсуждаться на мировых нефтяных и энергетических конгрес- сах. Были созданы проекты национальных программ, где углю в энергетическом балансе стала отво- диться ведущая роль (в США проект «Независимость»; в ФРГ проект «Угольная нефть» и др.) [4].
Как следствие, в последние 15–20 лет в связи с постепенным сокращением запасов нефти и уве- личением ее стоимости во многих странах мира стали интенсивно проводиться научно-исследо- вательские, проектно-конструкторские и опытные работы, направленные на создание инновационной технологии производства синтетических топлив из угля, имея в виду организацию в перспективе производства из него бензина, дизельного и реактивного топлива, чистого газа для электростанций, синтез-газа и водорода для химической промышленности (получение метанола, аммиака и др. про- дуктов). Поскольку запасов угля намного больше, чем нефти, а в ряде стран они могут разрабаты- ваться открытым способом при сравнительно невысоких затратах, уголь в перспективе станет допол- нительным источником получения сырья и материалов, вырабатываемых в настоящее время преиму- щественно из нефти и природного газа.
Характерные особенности новых технологий и процессов получения синтетических жидких топлив из угля
Для создания высокопроизводительной экономически эффективной технологии производства синтетического топлива из угля необходимо разработать новые процессы, так как существующие не могут быть использованы в перспективе для широкомасштабного производства.
За рубежом для повышения степени превращения органической массы угля (ОМУ), увеличения выхода жидких продуктов при умеренном расходе водорода, снижения энергозатрат, повышения
Каренов Р.С.
производительности оборудования, а также для решения экологических задач создаются процессы третьего поколения. Характерными особенностями новых процессов являются: повышение произво- дительности путем увеличения концентрации угля; уменьшение времени пребывания в реакционной зоне; смягчение условий процесса на стадии ожижения (снижение давления, температуры); снижение расхода водорода, добываемого путем подбора активных катализаторов; использование отходящих гидрированных парогазовых потоков на стадии пастоприготовления; создание термодинамических условий в аппаратах, исключающих проскок водорода; применение смеси Н2+СО в случае гидриро- вания влажных углей. При этом основной проблемой является утилизация тепла, что достигается за счет прямого нагрева пасты, рециркуляции горячих тяжелых остатков.
В конце XX века и начале XXI столетия в США, ФРГ, Канаде и других странах подготовлены к внедрению несколько проектов гидрогенизации угля. Это процессы SRS-I, SRC-II, EDS, H-Coal, New- JG-Farbeu. Одновременно в Японии, Австралии, Канаде, ЮАР разрабатываются новые технологиче- ские решения по ожижению угля (процессы NEDOL, BCL). Кроме того, в ФРГ на установке в г. Бот- тропе (производительностью по углю 200 т/сут) опробованы новые варианты, в том числе совместное ожижение угля и нефтяных остатков. Научные исследования продолжаются в США, Франции, Вели- кобритании [5].
В настоящее время в США разрабатывается ряд процессов ожижения и газификации угля, в том числе на укрупненных установках, производительностью до 50 т угля в сутки. Наиболее разработан- ными считаются процессы «SRC» и «COED», «H-Coal», «Consol», «Exxon». Часть их основана на ожижении (растворении) угля в жидком продукте — растворителе, полученном в самом процессе ожижения и прошедшем гидрирование под высоким давлением (200 атм) водорода, а часть — путем непосредственной гидрогенизации под давлением водорода 120–200 атм. Конечным продуктом про- изводства является малосернистое котельное и моторное топливо.
В 80-е годы прошлого столетия в ЮАР было налажено сотрудничество с компанией «Хайдро- карбон Рисерч» (США) по переработке намибийского и части капского (ЮАР) угля в СНТ на основе процесса «Эйч-Коал» («H-Coal»). Подобно методу Бергиуса процесс начинается с измельчения и очистки угля и смешивания его с тяжелой нефтью для приготовления суспензии, после чего она пе- рекачивается в реактор, смешивается с водородом и нагревается в присутствии катализатора. Про- дукты реакции — сырая нефть и дистилляты. Сырая нефть впоследствии охлаждается и подвергается очистке, а затем с помощью термических процессов и риформинга перерабатывается в бензин и керо- син. Часть дистиллятов также идет на переработку и превращается в мазут, дизельное топливо или сырую нефть, направляющуюся на выработку бензина. Другие дистилляты после отделения водорода используются для выделения сернокислого аммония, высококалорийного газа, смол, серы, при про- изводстве парафинов и смазочных масел. Себестоимость получения СНТ с использованием процесса
«Эйч-Коал» примерно на 25 % ниже по сравнению с применяющимися в ЮАР другими методами [6].
Значительный интерес вызывает выявление особенностей новых технологий гидрогенизации уг- ля — ITSL, Pyrosol, NEДOL.
Так, процесс ITSL — это двухстадийный интегральный процесс с небольшим временем пребы- вания, который разработан фирмами Lummus и Кегг-mcс Gee Corp. На первой стадии ожижения вре- мя пребывания в реакционной смеси уменьшено с 30–60 до 7–14 мин за счет применения реакторов с псевдоожиженным слоем катализатора. Расход водорода при этом не увеличился и составил 4,6–
5,3 % на органическую массу угля, в том числе на первой стадии 2–3 %, т.е. такой же, как в процессе SRC-II (4,5–5 %). Выход нафты и масла также не уменьшился, а выход тяжелого остатка снизился на 10–20 %. Применение стадии скоростного ожижения потребовало более глубокой переработки шлама гидрогенизации методом экстракции «ASDA» и вторичной каталитической гидрогенизации обеззо- ленного экстракта методом «LS-Fiuiug». Процесс прошел испытания на опытных установках произ- водительностью 2,5 и 6 т/сут. Разрабатывается вариант с применением Мо в качестве катализатора на первой стадии [7].
В процессе Pyrosol после стадии неглубокого гидрирования углемасляной пасты в мягких усло- виях (катализатор 40 % Fe2O3, температура 465 ºС, давление 20 МПа) шлам подвергается гидропиро- лизу. Выход масел метана при температуре 400 ºС на первой стадии составляет 25 %, в последующем ходе процесса увеличивается до 50 %.
Водород получают путем газификации как кокса со стадии гидропиролиза, так и сухого угля или путем конверсии углеводородных газов. По сравнению с новой немецкой технологией «IG-Farbeu»
Состояние и развитие научно-…
(давление 30 МПа, температура 480 ºС) снижен расход водорода до 3–4 %, на 10 % уменьшено газо- образование [5].
В Японии исследования и разработка технологии процессов ожижения угля проводятся рамках проекта «Sunshine» [8]. Разработано три варианта ожижения битуминозного угля: прямая гидрогени- зация; экстракция растворителем; сольволиз. Процессы апробированы на проточных установках про- изводительностью по углю 0,1–2,4 т/сут. Экономическая ситуация привела к разработке новой ком- бинированной технологии NEDOL, объединяющей три указанных выше процесса.
Технология включает следующие стадии: каталитическую гидрогенизацию при температуре 430–460 ºС под давлением 15–20 МПа; вакуумную дистилляцию шлама; гидрирование растворителя в присутствии никель-молибденового катализатора при температуре 350 ºС и давлении 10–15 МПа.
В процессе NEDOL получают 40 % нафты и среднего масла или 50 % транспортного топлива. Совме- стно с Австралией сооружена и действует установка производительностью 50 т/сут в г. Морвелл (штат Виктория). В настоящее время разработан проект установки производительностью 250 т/сут [5].
Во всех процессах ITSL, Pyrosol, NEDOL характерны мягкие условия гидрирования (температу- ра 430–460 ºС, давление 10–20 МПа), многостадийность (по сравнению с процессами второго поко- ления SRC, H-Соаl, EDS), которая оправдана глубоким превращением органической массы угля и возможностью приспособить технологический процесс к различному виду угля, в том числе к углю с высокой влажностью.
Уголь влажностью более 15 % ожижается в процессах Co-steam, новой немецкой технологии EDS, NEDOL, Pyrosol. Чтобы снизить энергозатраты на сушку угля, используют прямой нагрев пас- ты, позволяющий смягчить условия нагрева в печи или совсем исключить ее путем использования тепла отходящих парогазовых потоков. Сущность процесса сушки пасты заключается в том, что от- ходящий горячий парогазовый поток, содержащий непрореагировавший водород, гидрированные легкие углеводороды, направляется на смешивание с углем, в результате чего происходит выделение летучих с полным удалением из нее остаточной влаги. Этот процесс может осуществляться односту- пенчато или многоступенчато. Данный способ нагрева позволяет улучшить теплообмен, снизить вяз- кость пасты. Это приводит к существенному снижению потребности в энергии при эксплуатации системы подачи исходной реакционной смеси, особенно пастовых насосов и газовых компрессоров.
Из технологической схемы исключается такой энергоемкий и сложный в управлении аппарат, как трубчатая печь нагрева.
Рециркуляция шлама применяется в процессах SRC, ITSL, EDS, H-Coal. При этом в процессе SRC улучшается качество растворителя после добавления в него тяжелого шлама. Применение тяже- лого растворителя в двухстадийном процессе ожижения ITSL позволяет вовлечь в переработку 25 % остатков, а следовательно, уменьшить количество канцерогенных веществ на выходе. При этом в процессе SRC-I частично решается проблема утилизации остатков, что особенно важно, так как здесь шлам не подвергается газификации или коксованию. Рециркуляция шлама позволяет также использо- вать каталитическую активность металлов или минеральных компонентов угля, содержащихся в тя- желых остатках [5].
В бывшем Советском Союзе в Институте горючих ископаемых (ИГИ) в течение ряда лет прово- дились исследования по разработке научных основ и технологии нового процесса производства ма- лосернистого моторного горючего, котельного топлива, химических продуктов, гидрогенизации пе- реработки бурых и каменных углей [9]. Важным преимуществом технологии, созданной учеными ИГИ, стало осуществление процесса ожижения углей при давлении 10 МПа по сравнению с 30–
70 МПа, ранее применявшимися в промышленности. Схема гидрогенизации угля по методу ИГИ по- казана на рисунке 1.
В основу данной технологии были положены новые принципы гидрогенизации угля (примене- ние активного катализатора, инициирующих добавок, донора водорода). Хорошие результаты были получены при ожижении бурых углей Канско-Ачинского бассейна на укрупненной лабораторной ус- тановке ИГИ (табл. 1).
Разработанные в ИГИ технологические решения были воплощены в проектах первых в СССР опытно-промышленных установок СТ-5 и СТ-75. Они были выполнены проектно-конструкторскими организациями бывших Минуглепрома СССР, Миннефтехимпрома СССР и Минхиммаша СССР.
Каренов Р.С.
Рис. 1. Схема гидрогенизации угля по методу ИГИ (Примечание. Данные работы [10].)
Проведенный комплекс технико-экономических исследований, позволивших определить воз- можные и целесообразные масштабы развития глубокой химической переработки углей, показал, что наблюдается совпадение результатов опытной проверки с данными, полученными ранее в лаборатор- ных условиях, в том числе по составу жидких продуктов гидрогенизации (табл. 1).
В составе фракции с температурой кипения до 180 ºС после гидроочистки содержится (% мас.) углеводородов: алкановых — 57,9; нафтеновых — 28,4; ароматических — 13,7; после проведения ка- талитического риформинга содержание (% мас.) углеводородов составило: алкановых — 26,9; нафте- новых — 0,6; ароматических — 72,5 (в том числе бензола — 8,9 %; толуола — 43,5; этилбензола — 7,1; ксилолов — 25,8). Таким образом, риформат может быть использован в качестве сырья для полу- чения ароматических углеводородов по аналогии с переработкой нефтяного сырья.
Гидроочищенная фракция с температурой кипения 180–360 ºС продуктов ожижения угля содер- жит 29,7 парафиновых, 29,1 ароматических и 41,2 % нафтеновых углеводородов.
Во фракции с температурой кипения 180–240 ºС продуктов ожижения угля содержится до 10 % мас. фенолов, в том числе до 35 % мас. крезолов, которые целесообразно выделять до гидроочи- стки и использовать в качестве сырья для органического синтеза [11].
Фракция до 180 оС Бензин
Газ С1-С2
Фракция 180-300 оС
Н2
Дизельное топливо
Н2
Уголь Нефть
Фракция 240 оС
NH3, H2S Котельное
топливо Фракция выше 300 оС Пар, электроэнергия
Фенолы, крезолы,
ксиленолы NH3
H2S Н2О
Бензин
Каменное литье
Н2
Подготовка Дистилляция
Гидрогенизация
Фильтрование Разделение
Дистилляция
Производство пара Выделение фенолов C6-C8 Производство водорода
Гидрометаллургическая переработка
Конверсионная переработка Гидроочистка (5 МПа)
Гидрокрекинг Дистилляция
Каталитический риформинг
Состояние и развитие научно-…
Т а б л и ц а 1 Результаты опытной переработки канско-ачинского угля в условиях Опытного завода СТ-5
Показатели
Характеристика жидких продуктов, полученных гидрогенизацией бу- рого угля Бородинского месторождения Канско-Ачинского бассейна
лабораторная установка
Опытный завод СТ-5 нефтяной
пастообразователь угольный пастообразователь Плотность при температуре +20 оС, г/см3 0,8904 0,8810 0,8763 Содержание, об %:
– фенолы
– азотистые основания 6,5
3,2 6,7
2,1 8,1 4,1 Фракционный состав при различной
температуре кипения, %:
– начало кипения – до 180оС – 180–260 оС – 260–300 оС – 300–400 оС – выше 400 оС – потери
82,0 25,2 6,8 19,4 12,8 35,3 0,5
78,0 10,1 23,4 17,7 12,0 36,6 0,2
42,0 10,9 25,1 19,8 19,8 23,2 1,2 Групповой углеводородный состав, %
– непредельные – ароматические
– парафиновые и нафтеновые
11,5 48,0 40,5
16,2 45,8 33,0
7,9 48,3 43,8 Содержание, % масс.:
– сера
– азот 0,74
0,46 0,83
0,24 1,07 0,57
———————
Примечание. Данные работы [11].
В результате гидрогенизационного облагораживания продуктов ожижения угля могут быть по- лучены компоненты бензина, дизельного топлива, авиационного керосина и другие топлива, которые по своим свойствам аналогичны топливам, получаемым из нефти. При полной переработке бурого угля выход моторных топлив составляет 40–45 %. Наряду с топливными продуктами из угля можно получить ценные химические соединения — фенол, крезолы, ксиленолы, пиридин, лутидины, пико- лины, бензол, ксилолы и др.
Эффективность развития производства синтетического жидкого топлива на базе добываемых углей за рубежом
В настоящее время США занимают ведущее положение среди промышленно развитых капита- листических стран по числу разрабатываемых процессов получения синтетического топлива из угля, по размерам ассигнований на мероприятия по подготовке к их крупномасштабному производству.
Из разрабатываемых в США методов получения синтетического жидкого топлива можно выде- лить процессы каталитической гидрогенизации, отличающиеся прогрессивными решениями и в зна- чительной мере проверенные на крупных опытно-промышленных установках. При этом методе угольная паста подвергается гидрогенизации при давлении 13,5–18,5 МПа и температуре 450–465 ºС.
Часть жидкого продукта используется для приготовления пасты, а часть направляется на вакуумную дистилляцию, тяжелый остаток подвергается газификации для получения водорода [12].
Наличие в Российской Федерации значительного количества угольных месторождений со значи- тельными запасами, рассредоточенных практически на всей территории страны, также актуализирует развитие технологий глубокой переработки угля с получением заменителя природного газа, электро- энергии, а также жидкого топлива и химических продуктов. В этой связи авторами статьи [13] вы- полнены расчеты, обосновывающие возможность получения синтетического жидкого топлива из газа ПГУ на Ланковском (Магаданская область), Ургальском (Хабаровский край), Шкотовском (Примор- ский край) угольных месторождениях. При этом предприятия в комплексе со станцией ПГУ, энерго- установкой и блоком синтеза можно характеризовать как горный энергохимический комплекс.
В качестве источника сырья рассматривался газ, получаемый при использовании дутья, обога- щенного кислородом до уровня 45 %. При этом технологический процесс описывается следующим образом (рис. 2).
Каренов Р.С.
Рис. 2. Блок-схемапроизводствааммиака, метанолаижидкоготопливаизгазаподземнойгазификацииугля. (Примечание. Данныеработы [13].)
Газодувка Блокочистки отсмол Блоксероочистки
Газ посл е
газ иф ика ции
Смола H2S+Sorg Компрессор
Блоксероочистки Блокочистки отСО2
N2+H2+CO2 Блоксреднетемпературной конверсииСОБлоксреднетемпературной конверсииСО
СО
2
Блокметани- рованияКриогенный блок
Блокком- прессии синтез-газа Блоксинтеза аммиака
N +CO+CH 2
+Ar 4
NH
3
Блоквыделения водорода
Компрессор Блоксинтеза метанолаилижид- кого топливаCH3OH или CnHm Н2 СО
12 11
1 2 3 4 5а5б
6789 10
14 13
Состояние и развитие научно-…
На входе в поверхностный комплекс исходный газ сжимается газодувкой до давления около 0,2 МПа и затем поступает в установку 2 для выделения смол, затем в узел абсорбции 3 для удаления сероводорода. В качестве абсорбента используется метилдиэтаноламин (МДЭА). Этот процесс лучше проводить при низком давлении. Поглотительная способность МДЭА при сорбции H2S высока при этих условиях, но мала для сорбции СО2. Далее газ компримируют до 2–3 МПа (компрессор 4) и на- правляют в реактор 5, где протекает конверсия СО (в одну или две стадии).
После реактора конверсии СО газ направляют в секции 6, 7 и 8 для выделения СО2, избыточного азота, СО, СН4, Аr, метанирования и осушки газа. В секции 6 СО2 и влага удаляются физическим аб- сорбентом, так называемым «Хайсолв-МТМ» (диметиловый эфир триэтиленгликоля). Этот процесс подобен хорошо известному процессу «Селексол». Далее происходит новая стадия компрессии 9 и синтез аммиака 10, который может быть использован в качестве попутного товарного продукта при производстве метанола.
Для производства метанола и жидкого топлива необходимо иметь газовую смесь, содержащую СО, Н2 при низкой концентрации азота. Поэтому часть газовой смеси направляют не на конверсию СО, а на стадию 11 для выделения СО специальным абсорбентом. Этот процесс назван МОК-про- цессом. Он был разработан несколькими фирмами: ТОНО Chemical Industry (Япония), ГИАП (Рос- сия) и Каунасским университетом (Литва). Состав абсорбента основан на смеси солей меди, мета- толуидина и «Хайсолв-МТМ» как разбавителя.
Для синтеза метанола и жидкого топлива необходимо также выделять концентрированный водо- род. Для решения этой задачи предлагается использовать короткоцикловую адсорбцию (КЦА, PSA — Pressure Swing Adsorption) или мембранную установку, стадия 13. Полученный водород и вновь скомпримированный оксид углерода направляются на стадии производства метанола (стадия 14).
Авторами [13] рассчитаны технико-экономические показатели предприятий на примере Ланков- ского месторождения.
При определении показателей был произведен расчет для двух типов предприятий:
1. Станция ПГУ + ТЭЦ (действующая станция).
2. Станция ПГУ + блок синтеза жидкого топлива (метанола). Срок службы предприятий по всем вариантам принимается не менее 50 лет.
Расчеты выполнены исходя из двух вариантов состава газа ПГУ, указанного в таблице 2.
Т а б л и ц а 2 Состав газа ПГУ, принятый для расчета поверхностного комплекса
по производству синтетического жидкого топлива Состав газа Дутье с концентрацией
О2 — 21 % Дутье с концентрацией О2 — 45 % CnHmO2
CO2
H2
H2S CO CH4
N2
0,2 % 18,9 % 17,2 % 0,4 % 5,4 % 2,5 % 54,5 %
0,2 % 22,3 % 26,3 % 0,2 % 12,5 %
3,0 % 35,5 %
———————
Примечание. Данные работы [13].
Газ, полученный путем газификации с повышенным содержанием кислорода, используется для синтеза метанола.
Технико-экономические характеристики производства рассчитаны исходя из увеличения мощ- ности предприятия по газу от 438 млн. м3/год до 1410 млн. м3/год для варианта Станция ПГУ + ТЭЦ и увеличения мощности предприятия по метанолу от 40 тыс. т до 120 тыс. т (438 млн. м3/год до 3590 млн. м3/год по газу) для варианта Станция ПГУ + Блок синтеза жидкого топлива (метанола).
В целом, выполненная экономическая оценка показала обоснованность инвестиций в предприятия по производству электроэнергии и жидкого топлива на основе технологии ПГУ. При этом рекоменду- ется рассматривать проекты строительства предприятий с максимальной мощностью, что обеспечит более высокую экономическую эффективность и более низкий срок окупаемости проекта. Как видно из