Новый подход к комплексной переработке попутного нефтяного газа в моторные топлива и другие ценные продукты

Н.Я. Усачёв, доктор химических наук, профессор Институт органической химии им. Н.Д. Зелинского РАН

Утилизация попутного нефтяного газа (ПНГ) является одной из приоритетных задач, стоящей перед нефтегазовым комплексом России. Несбалансированность добычи нефти и переработки ПНГ привели к тому, что объем газообразных углеводородов, ежегодно сжигаемых на факелах, превышает 20 млрд м3. Создавшаяся ситуация является причиной огромных экономических потерь и серьезной угрозой для окружающей среды. Одно из решений этой национальной проблемы предусматривает создание инфраструктуры для отбора ПНГ, его транспортировки, очистки, сепарации и закачки в магистральные трубопроводы, что потребует колоссальных инвестиций. Другой путь — это переработка ПНГ в моторные топлива, метанол и другие ценные продукты непосредственно на нефтепромыслах. Однако отсутствие приемлемых технологий является серьезным препятствием для химической утилизации всех компонентов ПНГ.

В настоящее время существует три завода, производящие синтетическое топливо из метана, построенные компаниями Shell (Малайзия), Mossgas (Южная Африка) и Qatar Petroleum (Катар). Эти заводы имеют очень высокую мощность (1,1 — 1,5 млн. тонн в год), что является необходимым условием для достижения рентабельности таких производств при сегодняшнем соотношении цен на нефть и газ. Для сырьевого обеспечения таких гигантов необходимы месторождения с доказанными запасами газа в сотни миллиардов кубометров.

Основные затраты (до 70%) при производстве синтетического топлива приходятся на конверсию метана в синтез-газ (Н2+СО), из которого затем получают целевые продукты. Столь высокая стоимость синтез-газа определяется очень неблагоприятной энергетикой паровой или углекислотной конверсии метана:

СН4+Н2О=3Н2+СО–206 кДж/моль

СН4+СО2=2Н2+2СО–247 кДж/моль

В случае окислительного получения синтез-газа:

СН4+0,5О2=2Н2+СО+36 кДж/моль

требуются значительные энергозатраты на выделение кислорода из воздуха. К тому же из-за взрывоопасности кислород-метановых смесей при реализации таких технологий необходимо соблюдение особых мер предосторожности. Использование воздуха в качестве окислителя неприемлемо из-за разбавления синтез-газа азотом (на ~ 40 об.%), что резко снижает производительность оборудования при конверсии забалластированных смесей (Н2+СО+N2).

Радикальным решением этих проблем могло бы стать окислительное получение синтез-газа в реакторе, стенки которого представляют собой кислородпроводящие мембраны. Масштабные исследования, направленные на создание таких мембран, были проведены в США в конце ХХ-ого столетия. Однако, несмотря на большие усилия, (стоимость исследований составила около $100 000 000), остались нерешенными очень серьезные проблемы, препятствующие коммерциализации данного способа получения синтез-газа. Они связаны с невысокой механической прочностью мембран, которая снижается из-за высокого градиента концентрации ионов О2- между стенками реактора, одна из которых контактирует с воздухом, а другая — находится в восстано- вительной среде. Разрушение мембранного реактора может произойти и при герметичном соединении его с металлическими деталями уста- новки, поскольку коэффициенты линейного расширения металла и керамики сильно различаются.

Следует подчеркнуть, что современные технологии получения синтез-газа предназначены главным образом для переработки метана. Использование в качестве сырья смесей углеводородов сильно затруднено из-за повышения их реакционной способности с ростом молекулярной массы.

В жестких условиях, которые необходимы для глубокой конверсии метана в синтез-газ, другие углеводороды подвергаются расщеплению с образованием углерода, который дезактивирует катализатор. Рассмотренные обстоятельства позволяют сформулировать основные требования к процессам рентабельной переработки ПНГ непосредственно на нефтепромыслах:

а) использование установок малой и средней мощности;

б) низкое потребление энергии;

в) применение катализаторов, обладающих высокой стабильностью в условиях конверсии смесей углеводородов.

В результате многолетних исследований в области превращений метана и других легких углеводородов в синтез-газ, проводимых в Лаборатории катализа на редких и рассеянных элементах (Институт органической химии им. Н.Д.Зелинского РАН, г.Москва), были созданы наноструктурированные оксиднометаллические системы. Главная их особенность заключается в том, что они содержат до 20 мас.% решеточного кислорода, который способен окислять углеводороды в синтез-газ:

СН4+МеОх+1=2Н2+СО+МеОх.

Последующая обработка воздухом полностью регенерирует восстановленную систему, т.е. не только повышает содержание активного кислорода до исходного уровня, но и удаляет образовавшийся углерод:

МеОх+0,5О2(воздух)=МеОх+1+азот;

С+О2=СО2

Общий тепловой баланс такого процесса получения синтез-газа является положительным.

Разработанный метод конверсии ПНГ в синтез-газ имеет следующие преимущества:

а) резкое снижение энергозатрат;

б) использование в качестве окислителя воздуха (а не чистого кислорода) без разбавления азотом получаемых смесей (Н2+СО);

в) исключение образования взрывоопасных смесей углеводороды- кислород;

г) предотвращение дезактивации катализатора в результате удаления кокса на стадии регенерации;

д) возможность одновременной переработки всех компонентов ПНГ без их предварительного выделения;

е) получение значительных количеств чистого азота, который необходим для закачки в скважины с целью повышения их нефтеотдачи.

Еще одно важное преимущество предлагаемой технологии за- ключается в получении синтез-газа заданного состава. Это особенно важно при выборе путей переработки синтез-газа в моторные топлива или другие продукты (например, в метанол), что осуществляется по известным технологиям.

В настоящее время начинаются совместные работы ИОХ РАН и OOO Завод «Газпроммаш» (г. Саратов), направленные на изготовление опытной установки для получения моторного топлива из попутно- го нефтяного газа. Основные стадии переработки попутного нефтяного газа представлены на следующей схеме:

В дальнейшем планируется создание модульных реакторных блоков, комбинация которых позволит обеспечить оптимальную мощность установок, отвечающую реальным запасам ПНГ того или иного нефтепромысла. Кроме того, использование мобильных установок даст возможность получать моторные топлива из природного газа непосредственно на низконапорных месторождениях, эксплуатация которых в настоящее время экономически нецелесообразна.