Регистрация / Вход
Прислать материал

14.607.21.0077

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.607.21.0077
Тематическое направление
Энергоэффективность, энергосбережение, ядерная энергетика
Исполнитель проекта
федеральное государственное бюджетное учреждение "Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт"
Название доклада
Разработка энергоэффективной и ресурсосберегающей технологии получения химических продуктов, в том числе моторного топлива и ароматических углеводородов, на основе термохимических жидкофазных металло-оксидных циклов
Докладчик
Потапкин Борис Васильевич
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
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 и новизна исследования
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.
Описание исследования

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. 

 

Результаты исследования

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. 

 

 

Практическая значимость исследования
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.