Регистрация / Вход
Прислать материал

14.607.21.0037

Аннотация скачать
Постер скачать
Презентация скачать
Общие сведения
Номер
14.607.21.0037
Тематическое направление
Энергоэффективность, энергосбережение, ядерная энергетика
Исполнитель проекта
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем химической физики Российской академии наук
Название доклада
Разработка технологического процесса матричной конверсии природных и попутных газов в синтез-газ с низким содержанием азота
Докладчик
Арутюнов Владимир Сергеевич
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Проект направлен на достижение одной из важнейших целей современного топливно-энергетического комплекса – создание экономически эффективной технологии конверсии обильных ресурсов природного газа, в том числе из малодебитных и нетрадиционных источников, в более востребованные и более легко транспортируемые на мировые рынки жидкие химические продукты и моторные топлива.
Целью реализации проекта является разработка принципиально новой, не имеющей мировых аналогов энергоэффективной автотермической технологии конверсии природных и попутных газов в синтез-газ с низким содержанием азота, основанной на поверхностном горении углеводородов в проницаемых объемных матрицах. Создание такой технологии откроет принципиальную возможность решения важнейших проблем повышения энергоэффективности производства и преобразования энергии органического топлива.
Эффективная малотоннажная технология матричной конверсии углеводородов в синтез-газ позволит прекратить факельное сжигание попутных газов, обеспечить экономически эффективную конверсию природного газа в жидкие химические продукты и моторные топлива, повысить эффективность использования углеводородных топлив и снизить эмиссию вредных выбросов за счет их частичной конверсии в синтез-газ, практически решить проблему создания водородной энергетики и водородного транспорта, повысить обеспеченность удаленных российских регионов химическими продуктами и моторными топливами, производимыми из местных ресурсов.
Актуальность и новизна исследования
Практически все современные крупнотоннажные технологии превращения природных и попутных газов в различные химические продукты и моторные топлива основаны на сложной, энерго- и капиталлоемкой стадии их превращения в синтез-газ. На эту стадию приходится до 70% всех затрат на получение целевых продуктов. Именно существующие сложные технологии конверсии природного газа в синтез-газ делают эти процессы малоэффективными. Без создания новых более простых и рентабельных процессов превращения углеводородных газов в синтез-газ трудно рассчитывать на быстрое развитие газохимии, а тем более на рентабельное использование большого числа нетрадиционных источников газа, включая малоресурсные месторождения, попутный газ, сланцевый газ, угольный метан и другие.
В данном проекте разрабатывается принципиально новый, не имеющий мировых аналогов некаталитический способ окислительной конверсии углеводородных газов в синтез-газ, основанный на их беспламенном горении вблизи внутренней поверхности замкнутой объемной матрицы из проницаемого для газа высокотемпературного материала. Преимущества матричной конверсии природного газа в синтез-газ: автотермический характер процесса, не требующего внешних источников тепла или энергии; высокая удельная объемная производительность, минимум на порядок превышающая производительность традиционных технологий, отсутствие катализатора, что позволяет перерабатывать газы практически любого состава; простота изготовления и использования; низкие капитальные и операционные затраты.
Описание исследования

В основе создания принципиально новой матричной технологии конверсии природных и попутных газов в синтез-газ лежат фундаментальные исследования отечественных специалистов в области физико-химических процессов горения и химической кинетики окисления углеводородов. При разработке данной технологии проводился анализ тепловых потоков при окислении газообразных углеводородов вблизи поверхности проницаемых для газа материалов, Была показана возможность значительной конвективной и радиационной рекуперации тепла продуктов конверсии в материал матрицы и далее к свежей газовой смеси при проведении процесса в замкнутой полости из проницаемого материала. Это позволяет достигать сверхадиабатических температур во фронте пламени и значительно расширить пределы горения богатых смесей. В свою очередь, конверсия очень богатых смесей позволяет без применения катализаторов получать в таком относительно простом горелочном устройстве очень высокий выход синтез-газа, близкий к термодинамически равновесному выходу. Параллельно с теоретическим анализом и на его основе проводились экспериментальные исследования лабораторного масштаба с матричными конверторами различной конструкции, формы и использованием объемных матриц с различными характеристиками и свойствами с полным хроматографическим анализом состава получаемых продуктов конверсии. На последующих этапах выполнения проекта были созданы две демонстрационные установки для работы с потоками газа до 10 м3/ч. На этих установках были проведены всесторонние исследования процесса матричной конверсии при использовании в качестве окислителя атмосферного воздуха, воздуха с различной степенью обогащения кислородом и кислорода. Кроме того, процесс конверсии проводили как при атмосферном, так и при более высоких давлениях. Были исследованы зависимости основных параметров процесса, а также состава получаемых продуктов от коэффициента избытка окислителя, удельного расхода газовой смеси через поверхность матрицы, характеристик матрицы, температуры входящего газа и других параметров. Была показана возможность получать очень высокий выход синтез-газа как при работе с атмосферным воздухом, так и при работе с обогащенным воздухом и кислородом. Были разработаны оптимальные варианты конструкции конверторов и матричных узлов, определены оптимальные режимы конверсии, способы управления процессом. В итоге получены необходимые данные для разработки исходных данных для проектирования опытно-промышленной установки матричной конверсии природных и попутных газов в синтез-газ с низким содержанием азота.

Результаты исследования

В результате проведенных исследований разработан принципиально новый, не имеющий мировых аналогов тип конвертора углеводородных газов в синтез-газ. Данный тип автотермических конверторов не требует использования катализаторов. Конверсия углеводородов протекает непосредственно во фронте пламени, что позволяет делать их очень компактными, в разы меньше традиционных конверторов аналогичной производительности, и соответственно, менее металлоемкими и капиталозатратными. В ходе  исследований по проекту был проведен анализ тепловых потоков при окислении газообразных углеводородов вблизи поверхности проницаемых для газа материалов, Была показана возможность значительной конвективной и радиационной рекуперации тепла продуктов конверсии в материал матрицы и далее к свежей газовой смеси при проведении процесса в замкнутой полости из проницаемого материала. Это позволило заметно расширить пределы горения богатых смесей и получать высокий, близкий к термодинамически равновесному, выход синтез-газа в относительно простых горелочных устройствах, не требующих использования катализаторов. Были проведены экспериментальные исследования лабораторного масштаба с матричными конверторами различной конструкции, формы и использованием объемных матриц с различными характеристиками и свойствами с полным хроматографическим анализом состава получаемых продуктов конверсии. Были созданы две демонстрационные установки для работы с расходом газа до 10 м3/ч. На этих установках были проведены всесторонние исследования процесса матричной конверсии при использовании в качестве окислителя атмосферного воздуха, воздуха с различной степенью обогащения кислородом и кислорода. Процесс конверсии проводили как при атмосферном, так и при более высоких давлениях. Были исследованы зависимости основных параметров процесса, а также состава получаемых продуктов от коэффициента избытка окислителя, удельного расхода газовой смеси через поверхность матрицы, характеристик матрицы, температуры входящего газа и других параметров. Была показана возможность получать очень высокий выход синтез-газа как при работе с атмосферным воздухом, так и при работе с обогащенным воздухом и кислородом. При окислении атмосферным воздухом концентрация компонентов синтез-газа в продуктах превышает 40% при концентрации Н2 более 25%, СО до 15% и соотношении Н2/СО около 1,7. Конверсия метана и кислорода превышает 95%. Обогащение воздуха кислородом заметно повышает показатели процесса. При окислении техническим кислородом концентрация Н2 достигает 44%, СО - 25% и соотношение Н2/СО - 1,7. Были разработаны оптимальные варианты конструкции конверторов и матричных узлов, определены оптимальные режимы конверсии, способы управления процессом. В итоге получены необходимые данные для разработки исходных данных для проектирования опытно-промышленной установки матричной конверсии природных и попутных газов в синтез-газ с низким содержанием азота. Оценки, сделанные на основании полученных результатов, показывают, что удельная объемная производительность таких конверторов может превышать 1 млн м3/год на 1 м3 объема конвертора. В мировой литературе нет примеров конверторов природного газа в синтез-газ с подобными характеристиками.

Практическая значимость исследования
Разработка принципиально новой, не имеющей мировых аналогов энергоэффективной автотермической технологии конверсии природных и попутных газов в синтез-газ с низким содержанием азота, основанной на поверхностном горении углеводородов в проницаемых объемных матрицах откроет принципиальную возможность решения важнейших проблем повышения энергоэффективности производства и преобразования энергии органического топлива. Эффективный малотоннажный процесс матричной конверсии углеводородов в синтез-газ позволит прекратить факельное сжигание попутных газов, обеспечить экономически эффективную конверсию природного газа в жидкие химические продукты и моторные топлива, повысить эффективность использования углеводородных топлив и снизить эмиссию вредных выбросов за счет их частичной конверсии в синтез-газ, практически решить проблему создания водородной энергетики и водородного транспорта, повысить обеспеченность удаленных российских регионов химическими продуктами и моторными топливами, производимыми из местных ресурсов.
Использование компактной и дешевой матричной технологии конверсии природного газа в крупнотоннажных газохимических технологических процессах получения аммиака, водорода, метанола, синтетических жидких углеводородов и других позволит значительно повысить их рентабельность и сделать природный газ более привлекательным сырьем для производства многих нефтехимических продуктов.
Презентация

Presentation_14.607.21.0037.ppt