Лапидус и др. Газы 2 части

ГЛАВА 2.

ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ И ПЕРЕРАБОТКИ ПРИРОДНЫХ ГАЗОВ

2.1. Основные направления переработки природных газов в России и за рубежом

Природные газы могут быть использованы в двух направ­ лениях - энергетическому и химическому. Наиболее перспек­ тивно использование их в качестве топлива, бытового и про­ мышленного, а также в качестве моторного горючего.

Энергетическое использование природного газа

Использование газа в качестве топлива

Трудность химической переработки природного газа, преж­ де всего метана, является главной причиной того, что в настоя­ щее время его подавляющая часть (95%) используется как топ­ ливо. В мировом энергобалансе его доля достигла 24%. В энер­ гетическом балансе России доля природного газа значительно выше (более 50%), а к 2020 году прогнозируется её увеличение до 58%, в производстве электроэнергии его доля составляет почти 80%. Частично это объясняется неоспоримыми экологи­ ческими преимуществами природного газа перед другими вида­ ми ископаемого топлива. В нем практически отсутствуют при­ меси, характерные для угля, прежде всего неорганическая часть (зола). Даже с точки зрения удельного выброса диоксида угле­ рода на единицу произведенной энергии он имеет огромное преимущество по сравнению с нефтью, а тем более углем, т.к. имеет максимальное для углеводородов отношение Н/С = 4. Именно массовый переход на природный газ, наряду с некото­ рым спадом производства, позволил отечественной энергетике в 90-е годы заметно сократить выброс в атмосферу С 02.

Огромная практическая важность оптимизации процессов сжигания природного газа и повышения КПД различного типа двигателей и горелочных устройств, использующих это топли­

во, поддерживает постоянный интерес исследователей и спе­ циалистов к этой проблеме. Однако сжигание газа под котлами электростанций дает наименьший экономический эффект по сравнению с его использованием на более квалифицированные нужды, не только в качестве химического сырья, но и в качестве топлива в промышленных процессах и коммунально-бытовом секторе. Природный газ широко используется в металлургии. В доменных печах 1 м3 природного газа заменяет 0,9-1,3 кг дефи­ цитного кокса. Его применение повышает производительность доменных печей, качество чугуна и снижает его себестоимость. В сталелитейной промышленности перевод мартеновских печей с мазута на газ также повышает их производительность. Газ ис­ пользуется для отопления прокатных, кузнечных, термических и плавильных печей, в производстве свинца, алюминия, меди, ни­ келя, кобальта и др. В стекольной промышленности применение природного газа повышает производительность печей на 1013%, а в цементной промышленности его применение снижает себестоимость продукции на 20-26%. Газ используется в печах для сушки и обжига керамики, для сушки пищевых продуктов.

При огромных экологических достоинствах природного газа в качестве топлива, его применение в теплоэнергетике свя­ зано с высокой эмиссией оксидов азота в атмосферу. Высокая концентрация NOx в дымовых газах является следствием, преж­ де всего, высокой температуры продуктов сгорания, а их удале­ ние требует серьезных инженерных усилий и значительных эко­ номических затрат.

Природный газ и его отдельные компоненты, в т.ч. метан и пропан-бутановая фракция находят широкое применение в ка­ честве моторного топлива. В 145 городах России эксплуатиру­ ется около 200 крупных станций для заправки автотранспорта метаном под высоким давлением. Главными мотивами для их дальнейшего внедрения являются доступность и низкая стои­ мость этого вида топлива, его высокие моторные (табл. 20) и экологические характеристики. Ведутся активные работы по использованию сжатого или сжиженного метана на водном, же­ лезнодорожном и даже воздушном транспорте. Еще более ши­ роко в качестве моторного топлива на автотранспорте применя­ ется пропан-бутановая фракция.

Переработка природного газа в синтетические жидкие топлива.

Говоря об энергетическом использовании природного газа, следует иметь в виду, что наряду с непосредственным его при­ менением в качестве моторного топлива не менее важным явля­ ется производство на его основе жидких продуктов, получаемых с целью использования их в качестве моторных топлив. Это мо­ жет решать не только транспортную проблему, что обсуждалось в предыдущем разделе, но и дает возможность получения до­ полнительных ресурсов автомобильных бензинов и дизельных топлив с высокими экологическими и эксплуатационными ха­ рактеристиками.

Т а б л и ц а 20. Октановые числа низших алканов

Характеристика синтетических жидких топлив

К синтетическим жидким топливам, рассматриваемым в проектах GTL, относятся диметиловый эфир (ДМЭ), а также жидкие углеводороды и моторные топлива, получаемые в про­ цессе Фишера-Тропша.

Ряд крупных фирм химического и нефтехимического профи­ ля ("BP", "Haldor Topsoe", "Marubeni", "Nippon Kokan Corp." и др.) рассматривает ДМЭ как перспективный заменитель дизельного топлива, благодаря высокому цетановому числу (55-60) и уникальным экологическим характеристикам (отсутствие в продук­ тах сгорания сажи, серосодержащих соединений, меньшее обра­ зование NOx в выхлопных газах). Результаты испытаний ди­ зельных двигателей в Дании, США и России подтвердили соот­ ветствие ДМЭ жестким экологическим требованиям. Для рос­ сийских условий ДМЭ особенно привлекателен своей морозо-

-октановое число по моторному методу

-октановое число по исследовательскому методу

стойкостью (у чистого ДМЭ температура замерзания минус 138°С). Однако, конъюнктура крупномасштабного производства ДМЭ на перспективу недостаточно определена, а его использо­ вание на автотранспорте потребует модернизации топливной системы и заправочных станций. Вместе с тем необходимо от­ метить серьезный интерес ряда городов (например, Москвы) и компаний ("BP-Amoco", "Nippon Kokan Corp.") именно в ДМЭ.

ДМЭ, как топливо, имеет два принципиальных достоинства: -универсальность применения (электростанции, котельные, промышленные печи различного назначения, двигатели внут­

реннего сгорания, бытовые газовые приборы); -низкий уровень вредных выбросов.

Топлива, получаемые процессом многостадийной конвер­ сии природного газа, по своим эксплуатационным характери­ стикам не отличаются от традиционных нефтяных моторных топлив. К основным преимуществам продуктов синтеза Фише- ра-Тропша можно отнести то, что они практически не содержат ароматических углеводородов и серы.

В табл. 21 представлены физико-химические характеристи­ ки рассмотренных выше топлив.

Т а б л и ц а 21. Физико-химические свойства топлив

Рынок синтетических жидких топлив

Производство альтернативных синтетических топлив в ко­ нечном итоге приведет к выходу этих продуктов на мировой или внутренний рынок традиционных нефтяных топлив. Перспекти­ вы производства СЖТ непосредственным образом связаны с прогнозными изменениями нефтяного рынка.

По материалам второй редакции Энергетической стратегии России до 2020 года (ЭС-2020) доказанные запасы нефти в мире составляют в настоящее время 143,4 млрд. тонн, из них на долю России приходится 4,6%.

Показатель отношения запасов к текущей добыче для Рос­ сийской Федерации составляет по нефти менее 21, что почти вдвое ниже среднемирового уровня. Для сравнения - по газу аналогичное соотношение составляет более 82.

Ресурсы природного газа России с учетом их расположения на Крайнем Севере страны определяют необходимость разра­ ботки и создания технологий и строительства заводов СЖТ.

За 1990-2000 годы потребление нефти в мире возросло ме­ нее чем на 15 % при росте ВВП за это время примерно на 25 %. В соответствии с имеющими большой разброс прогнозными оценками диапазон потребления нефти в 2020г. составит от 6,1 до 7,8 млрд. т.у.т. (наиболее вероятное значение - 6,6 млрд. т.у.т.). Годовой темп роста нефтепотребления может составить в этот период от 0,9 до 2,1 % в год в зависимости от среднегодо­ вых темпов экономического роста, которые оцениваются в диа­ пазоне от 1,5 до 4,0 % в год. Вероятная доля нефти в структуре потребления первичных топливно-энергетических ресурсов со­ кратится с 38,5 % в настоящее время до 34,6 % в 2020 году.

Прирост спроса на нефть в Европе на период до 2020 года будет определяться, в основном, необходимостью замещения нефти Северного моря и составит порядка 180-200 млн. тонн/год по сравнению с 1995 годом. В тот же период прирост спроса на нефть в Азии будет обусловлен расширением спроса и составит 820-850 млн. тонн/год.

В целом перспективная мировая энергетическая ситуация дает основание прогнозировать как минимум сохранение или, скорее всего, повышение уровня экспортного спроса на россий­ ские энергоресурсы, с учетом выхода России на энергетические рынки Азиатско-Тихоокеанского региона. Энергетической стра­ тегией России предусматривается сохранение значительных объ­

- 66- Лапидус, И.А. Голубева, Ф.Г. Жагфаров. ГАЗОХИМИЯ

емов экспорта энергоресурсов, особенно природного газа и жид­ кого топлива, в составе которого предусмотрен опережающий рост вывоза нефтепродуктов. Однако наращивание их поставок на внешние рынки должно прекратиться уже к 2012-2015 г.г. Бо­ лее того, доля России в международной торговле нефтью и неф­ тепродуктами снизится с 9 % в настоящее время до 4-5 % к кон­ цу рассматриваемого периода.

Во второй половине прогнозируемого периода (т.е. 20102020 г.г.), по мнению авторов ЭС-2020, возможен масштабный выход России на мировой рынок сжиженного природного газа, а также начало экспорта синтетического моторного топлива.

На перспективу до 2020 года, с учетом расширения исполь­ зования в качестве моторных топлив сжиженного и сжатого природных газов (в эквиваленте до 5 млн. тонн нефтепродуктов

в2010 году и до 10-12 млн. тонн в 2020 году) и распространения

вмобильной энергетике электропривода, водородных двигате­ лей и топливных элементов, ожидается рост объемов внутренне­ го потребления моторных топлив.

Сопоставление намечаемых объемов производства мотор­ ных топлив в РФ при переработке 185-200 млн. тонн нефти в год с ожидаемыми Объемами потребления показывает, что на уро­ вень 2020 года избыток предложения автомобильного бензина и дизельного топлива на внутреннем рынке оценивается в 2,7-6,8 и 18,0-24,5 млн. тонн в год соответственно.

Возможности России для стратегического маневра в сторо­ ну уменьшения в структуре экспорта доли сырой нефти с заме­ ной ее продуктами нефтепереработки ограничены в силу нали­ чия жесткой конкуренции на этом сегменте энергетического рынка. Анализ внешнеторговой деятельности Российской Феде­ рации за последние годы говорит о том, что успехи в этой об­ ласти обусловливались исключительно продажей на внешних рынках товаров низкой степени переработки. В самой структуре экспорта наблюдалась тенденция сокращения номенклатуры экспортируемых товаров в пользу сырьевой группы, состав­ ляющей свыше 60 % экспорта.

Столь активный процесс вывоза сырьевых ресурсов за пре­ делы Российской Федерации является угрозой экономической безопасности.

Для решения этой проблемы необходимо обеспечить кон­ курентоспособность российских нефтепродуктов на внешних

рынках, восстановить завоеванные ранее и теряемые теперь рынки в государствах-членах СНГ, балтийских республиках, бывших социалистических странах; продвигаться на новые, в том числе азиатские рынки.

Вряде регионов Западной Европы при общем избытке мощностей по переработке нефтяного сырья наблюдаются дис­ пропорции в производстве отдельных видов нефтепродуктов. В последние годы на европейском рынке отмечается заметный дефицит газойля в результате стабильности роста потребления дизельного топлива. Европейские НПЗ производят избыточное количество бензина, но недостаточно средних дистиллятов.

На перспективу 2010-2020 года прогнозируется стабилиза­ ция потребности европейских рынков в автомобильных бензи­ нах практически на нынешнем уровне (или ее незначительный рост); потребление же средних дистиллятов, как ожидается, вы­ растет более чем на треть. В результате к 2020 году потребность Западной Европы в дизельных топливах и газойле составит око­ ло 330 млн. тонн в год.

Отечественная нефтеперерабатывающая промышленность в настоящее время не готова обеспечить необходимое качество бензинов и дизельных топлив для экспорта. В связи с этим про­ изводство и поставка на экспорт СЖТ, с требуемыми экологиче­ скими характеристиками, имеет серьезные предпосылки.

В2000г. мировое производство синтетических углеводоро­ дов по методу Фишера-Тропше из газа составило около 2 млн. тонн. В случае реализации всех разрабатываемых в настоящее время проектов конверсии природного газа в СЖТ, производст­ во последних уже в ближайшие годы составит более 24 млн. тонн в год.

Безусловно, значительное увеличение мировых цен на нефть стимулирует разработку крупнотоннажных процессов получения синтетических моторных топлив. Однако внедрение этих процессов сдерживается следующими причинами:

-небольшой опыт строительства и эксплуатации заводов большой мощности;

-значительные инвестиции; -неопределенность цен на нефть и газ в будущем; -недостаточная государственная поддержка; -отсутствие налоговых льгот и субсидий.

Хотя в настоящее время в мире уже действуют промыш­ ленные установки по получению моторных топлив из природно­ го газа, за исключением некоторых специфических случаев, эти процессы остаются неконкурентоспособными по сравнению с традиционными процессами нефтепереработки. Существующие в настоящее время технологии конверсии природного газа в мо­ торные топлива по синтезу Фишера-Тропша, прежде всего бен­ зин и дистилляты, энергоемки и низкорентабельны.

По оценке некоторых западных нефтегазовых компаний процесс преобразования газа в жидкие энергоносители в бли­ жайшее время будет пользоваться ограниченным спросом, и только через 15-20 лет доля альтернативных топлив в энергети­ ческом балансе заметно возрастет. Однако есть другие прогно­ зы. Например, по мнению консалтинговой фирмы "Arthur D. Little Inc." в ближайшие 10-15 лет производство СЖТ достигнет 40-95 млн. т/год, что составит 1-2,4% мировой добычи нефти, по другим прогнозам предполагается производство более 35 млн. тонн в год СЖТ по заявленным проектам уже к 2008г. По мне­ нию южноафриканской компании "Sasol" возможны три сцена­ рия развития технологии GTL в мире: медленный - достижение к 2015г. уровня производства СЖТ 25 млн. тонн/год; средний - 50-75 млн. тонн/год; ускоренный - 100-150 млн. тонн/год. Если рост производства СЖТ по медленному и среднему сценариям будет лишь уравновешивать мировой баланс спроса и предло­ жения нефтепродуктов, то по ускоренному сценарию производ­ ство СЖТ окажет заметное воздействие на мировой рынок неф­ тепродуктов.

Наибольший спрос на экологически чистое дизельное топ­ ливо ожидается в США. По оценкам экспертов спрос на про­ дукцию, полученную по технологии GTL, может расти ежегод­ но на 5,7 %. Форсированное развитие технологии GTL несо­ мненно будет стимулировать введение более жестких экологи­ ческих требований к качеству моторных топлив.

Реализованные и перспективные химические процессы пе­ реработки природного газа

Крупнейшие достижения современного органического син­ теза позволяют сделать вывод о все возрастающем значении ме­

1. Состояние и перспективы развития газоперерабатывающей промышленности.

тана как ценного исходного сырья для получения ацетилена, во­ дорода, смеси СО + Н2, синильной кислоты, галоид- и нитропро­ изводных метана. Ацетилен, как известно, занимает одно из ве­ дущих мест среди исходных продуктов химической промышлен­ ности. Достаточно напомнить широкое использование ацетилена для синтеза уксусной кислоты, ацетона, ацетилцеллюлозы, хлоропренового синтетического каучука, а также его применение в промышленности искусственного шёлка, лаков, взрывчатых ве­ ществ, пластмасс, фармацевтической промышленности и т.д.

Не менее важным процессом является конверсия метана для получения водорода или смеси СО+Н2. Эта смесь может быть направлена на синтез метилового спирта или моторного топлива по методу Фишера и Тропша. При конверсионном методе пере­ работки метана он является ценным исходным сырьём для ряда важных синтезов (NH3, СН3ОН, моторное топливо).

Значительный промышленный интерес представляет процесс хлорирования метана или метаносодержащих газов с получением соответствующих хлорпроизводных — хлористого метила, хло­ ристого метилена, хлороформа, четырёххлористого углерода, а также получение нитросоединений метана, из которых нитроме­ тан представляет огромный интерес как растворитель, а также как сырьё для многочисленных органических синтезов.

Значительный интерес представляет проблема переработки метана в синильную кислоту, которая является ценным исход­ ным материалом для ряда областей химической промышленно­ сти. Из метана получается также высокосортная сажа.

В настоящее время на базе основного компонента природ­ ного газа - метана создано новое направление науки «Химия Ci», а также группа химических производств.

На базе получаемых из метана аммиака, метанола, ацетиле­ на производятся в крупных масштабах десятки химических про­ дуктов, таких как карбамид, формальдегид, фенол- и карбамидформальдегидные смолы, высокооктановый компонент бензи­ нов - метил-трет-бутиловый эфир, меламин и смолы на его ос­ нове, уксусная кислота, азотные удобрения и др.

В основе синтеза большинства продуктов на базе метана лежит взаимодействие метана с кислородом или водяным паром либо углекислым газом, в результате которого получается син­ тез-газ - смесь оксида углерода и водорода в различных пропор­ циях. Это направление химической переработки метана является

наиболее масштабным в настоящее время. Поэтому важной за­ дачей является разработка эффективной технологии производ­ ства синтез-газа. В последние годы разработан ряд новых моди­ фикаций этого процесса. Интересные технологии разработаны датской фирмой «Халдор Топсе» (усовершенствованная паровая конверсия и сочетание неполного окисления и адиабатической конверсии), американской фирмой «Хоу-Бейкер Инжинирз Инк» (автотермический процесс), российскими учёными («Тан­ дем-процесс»).

Необходимо подчеркнуть, что стадия получения синтез-газа наиболее капиталоёмкая и в процессах “Сi-химии” составляет 45-60% от всех капитальных затрат. В методах получения син­ тез-газа, предусматривающих применение кислорода, весьма велики связанные с его получением эксплуатационные затраты.

Одним из перспективных направлений разработки эффек­ тивных технологий получения синтез-газа является применение керамических мембран, которые имеют и каталитический эф­ фект. Это довольно простая технология активно разрабатывает­ ся в США.

Наиболее крупным потребителем синтез-газа является про­ изводство метанола.

Синтез метанола на основе оксида углерода и водорода впервые в промышленном масштабе был реализован в Германии в 1923 году. Потребление метанола в мире постоянно растет, он используется как растворитель, из него получают формальдегид (на это расходуется около 50% метанола), уксусную кислоту, метил-трет-бутиловый эфир; на основе продуктов, получаемых из метанола, производят синтетические смолы, пластмассы и волокна, фармацевтические препараты, пестициды. Метанол может быть использован как моторное топливо или как добавка к нему. На его основе можно также получать углеводородные топлива: при пропускании метанола через слой сверхвысоко­ кремнеземных синтетических (СВК) цеолитов образуется либо смесь алканов и алкенов С5-Сю, с большим количеством арома­ тических углеводородов, либо смесь низших олефинов С2-С4. Однако эти процессы ещё не нашли практического применения.

На рис.4 показаны основные промышленные продукты, по­ лучаемые на основе метанола, и их рыночные цены, относящие­ ся к середине 90-х годов, свидетельствующие о возрастании стоимости продуктов превращения метанола по мере углубле­ ния его переработки.