14.607.21.0077

Работа направлена на разработку технологических основ и технических средств для производства химической продукции, в том числе моторного топлива, из различных видов углеродсодержащего сырья (угольные отходы, промышленные и попутные газы, нефтяные отходы, гудроны, мазут и т.д.). Объектом исследования являются процессы глубокой переработки углеродосодержащего сырья в синтез-газ с последующим превращением полученного синтез-газа в ценные химические продукты на основе термохимических жидкофазных металло-оксидных циклов в расплаве металлов и их оксидов, в частности, в расплаве железа.
Цель работы:
Создание основ технологий получения химической продукции за счет сопряжения термохимических металл-оксидных циклов, с использованием расплавов тяжелых металлов и их оксидов, с химическими процессами переработки различных типов углеродсодержащего сырья (техногенные отходы, промышленные и попутные газы, нефтяные отходы, гудроны, мазут, угольные отходы и т.д.). Расширение спектра получаемых химических продуктов, в том числе моторного топлива, за счет синтеза ценных концентратов ароматических углеводородов на основе термохимических жидкофазных металло-оксидных циклов.

Актуальность проекта обусловлена необходимостью существенного изменения структуры нефтехимического рынка за счет широкого внедрения новых технологий постепенно вытесняющих нефть из процессов получения традиционных продуктов нефтехимии (олефинов, ароматических углеводородов, парафинов).
В рамках выполняемых работ синтезированы модифицированные цеолиты различных видов и на их основе приготовить лабораторные образцы катализаторов для получения бензина и ароматических соединений. При этом разработаны как методики приготовления катализаторов, так и программы и методики проведения исследовательских испытаний экспериментальных образцов гетерогенных катализаторов. Определение каталитических свойств разработанных катализаторов проводиться на модельном и реальном сырье. Другой отличительной особенностью работ, планируемых в рамках данного проекта, является создание специального оборудования: изотермического реактора на тепловых трубах. Предлагаемая технология и конструкция реактора для ее реализации являются уникальными и нигде ранее не использовались.

Газификация твердых бытовых и промышленных отходов, в частности, отходов нефтеперерабатывающих и нефтехимических производств представляет собой чрезвычайно актуальную задачу, поскольку позволяет не только обеспечить соблюдение высоких экологических стандартов, предъявляемых в настоящее время к современным промышленным технологиям, но и использовать твердые углеводородсодержащие отходы в качестве энергетического и/или химического сырья, как минимум, покрывая тем самым затраты на их утилизацию. 

Одним из интенсивно развиваемых в последнее время подходов к газификации углеродсодержащего сырья является проведение процесса в расплаве металлов, способных участвовать в циклических окислительно-восстановительных реакциях с углеродом и кислородом [1-2].  При этом восстановление оксидов металла углеродом, растворенным в расплаве, приводит к образованию окиси углерода, а водород получается при пиролизе углеводородов.  Основное преимущество этого подхода состоит в том, что собственно газификация, связывание и витрификация нейтральной компоненты, а также очистка получаемого газа от соединений серы и других вредных примесей осуществляется в одну стадию, причем получаемый синтез газ отличается повышенной чистой по отношению к газу, получаемому по традиционной технологии.        

В работах [3-5], на примере процесса газификации резины, древесных опилок, нефтешламов и гудронов, был предложен и исследован плазменно-расплавный метод газификации углеводородов. При этом основным преимуществом использования плазмы является возможность интенсификации процессов газификации, контроля температуры процесса, а также отсутствие отрицательной обратной связи между температурой расплава и энергией, поглощаемой в расплавном реакторе, как это происходит, например, при автотермическом проведении процесса или в случае использования индукционного нагрева расплава. Сопоставление полученных экспериментальных данных с результатами термодинамического и кинетического моделирования газификации в расплаве позволило выявить основные физико-химические процессы, ответственные за преобразование органических компонент в синтез газ, а также охарактеризовать ключевые технические параметры. Показано, что продукты конверсии не содержат  сажи, а сера, содержащаяся в отходах, аккумулируется преимущественно в шлаке над расплавом. В этих работах рассматривались процессы конверсии углеродсодержащего сырья при одновременной подаче углеводородов  и окислителя (кислорода, паров воды)  в расплав металла. Поскольку значение весового соотношения Н/С в большинстве видов углеродсодержащего сырья находится на уровне порядка 0,1 и менее, получаемый синтез-газ характеризовался  низким соотношением  Н₂/СО, что затрудняет его дальнейшее использования для синтеза жидких углеводородов - основного направления газохимических технологий переработки синтез-газа.

Настоящая работа посвящена исследованию процессов переработки углеродсодержащего сырья в расплаве металла в две стадии при попеременной подаче в реактор углеродсодержащего сырья и окислителя. Такая организация процесса открывает возможность регулирования соотношения Н₂/СО в получаемом синтез-газе [6] и позволяет более полно изучить окислительно-восстановительные процессы, протекающие в расплавном реакторе. Укажем, что в настоящей статье приводятся результаты по исследованию процесса газификации в расплавном реакторе с индукционным разогревом. Однако полученные данные практически в полном объеме могут быть перенесены на случай использования плазмотронов в качестве источника тепла для запуска процесса и стабилизации его температуры. 

 

Работа направлена на разработку технологических основ и технических средств для  производства химической продукции, в том числе моторного топлива, из различных видов бросового углеродсодержащего сырья (угольные отходы, промышленные и попутные газы, нефтяные отходы, гудроны, мазут и т.д.). Объектом исследования являются процессы глубокой переработки углеродосодержащего сырья в синтез-газ с последующим превращением полученного синтез-газа в ценные химические продукты на основе термохимических жидкофазных металло-оксидных циклов в расплаве  металлов и их оксидов, в частности, в расплаве железа.

Методология проведения работы включает в себя аналитические исследования, термодинамические расчёты и кинетическое моделирование, направленные на поиск оптимальных систем на основе расплавов тяжёлых металлов, а также проведение экспериментальных исследований процессов расплавной технологии газификации углеродсодержащего сырья и каталитической переработки получаемого синтез – газа в  химические продукты, в том числе метанола и моторных топлив на специально разработанных лабораторных установках.

Сопоставление экспериментальных данных полученных на лабораторной установке превращения углеводородного сырья в синтез-газ с использованием расплава железа с результатами термодинамического и кинетического моделирования газификации в расплаве позволило выявить основные физико-химические процессы, ответственные за преобразование органических компонент в синтез газ, а также охарактеризовать ключевые технические параметры. Содержание синтез-газа в продуктах газификации достигает до 95 % по объёму. При этом показано, что продукты конверсии не содержат  сажи, а сера, содержащаяся в отходах, аккумулируется преимущественно в шлаке над расплавом. В результате проведённых исследований на лабораторной установке превращения получаемого синтез-газа в химические продукты определены расходные характеристики, оптимальные режимы и катализаторы для получения метанола, моторного топлива и концентрата ароматических углеводородов. Установлено, что при использовании одного катализатора возможно получение, как высокооктанового синтетического бензина, так и концентрата ароматических углеводородов, что обеспечивает гибкость процесса по выбору необходимого товарного продукта.  

Разработаны различные варианты схемных и технологических решений, обеспечивающие высокую эффективность и энергетическую автономность производства химической продукции, в том числе метанола и моторного топлива, из различных видов бросового углеродсодержащего сырья, включая вариант с коррекцией состава получаемого синтез-газа с применением мембранной технологии, а также вариант с циклической подачей в расплавный реактор сырья и окислителя позволяющий гибко регулировать соотношение Н₂/СО непосредственно на стадии получения синтез-газа.

         Выполненные экономические оценки показали высокую экономическую эффективность рассматриваемой технологии в том числе для малотоннажных производств, так для производительности расплавного реактора по синтез-газу  в диапазоне 1000 - 10000 м³/ч,   производство метанола из нефтешлама окупается за срок от 5,5 до 3-х лет, а производство метанола из попутного нефтяного газа окупается за срок от 7 до 4-х лет. 

 

 

Предлагаемая технология каталитической переработки получаемого на первой стадии синтез-газа в химические продукты является связующим звеном между известными технологиями переработки «синтез газа – метанол сырец» и технологиями переработки «метанол - концентрат ароматических углеводородов и продукты их дальнейшей переработки». Это позволяет получать концентрат ароматических углеводородов не из нафты, а из более доступного и недорогого сырья. Данная технология дополняет и отлично интегрируется с рядом известных технологий, а именно: метанол в олефины, метанол в этилен, метанол в пропилен, метанол в парафины (с использованием бифункционального катализатора), метанол в бензин. Тем самым перечисленные технологии позволяют получать практически все основные первичные продукты традиционной нефтехимии по схеме: синтез газ – метанол.
В рамках настоящей работы разработаны и изготовлены специализированные установки для проведения процессов расплавной технологии газификации углеродсодержащего сырья и каталитической переработки получаемого синтез – газа в химические продукты, в том числе метанола и моторных топлив, а также концентрата ароматических углеводородов производительностью 0.5 кг/час по сырью, на которых проведён широкий круг экспериментальных исследований.
При выполнении работ проведены предварительные термодинамические расчёты и кинетическое моделирование, направленные на поиск оптимальных систем на основе расплавов тяжёлых металлов и их оксидов, характеризующихся более низкой температурой по сравнению с системой на основе расплава железа и позволяющих получать синтез-газ с параметрами, необходимыми для последующей каталитической переработки.
Таким образом, полученные результаты разработки процесса газификации углеродсодержащего сырья в расплаве металла с последующей каталитической переработкой получаемого синтез-газа позволят в создать энергоэффективную и ресурсосберегающую технологию получения ценных химических продуктов. Разработка такого рода технологий, прежде всего, будет способствовать расширению сырьевой базы для производства жидких углеводородов, и тем самым снижению зависимости потребителей этого вида сырья от нефтегазового комплекса и колебаний рыночных цен на его продукцию.