правах рукописи ГИМАЕВА АЛИ11А РАШИТОВНА РАЗВИТИЕ ТЕХНОЛОГИЙ ПРОИЗВОДСТВА МЕТАНОЛА И
advertisement
правах рукописи ГИМАЕВА АЛИ11А РАШИТОВНА РАЗВИТИЕ ТЕХНОЛОГИЙ ПРОИЗВОДСТВА МЕТАНОЛА И ДИМЕТИЛОВОГО ЭФИРА НА МАЛОДЕБИТНЫХ И ТРУДНОДОСТУПНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЯХ Специальности: 07.00.10 - История науки и техники 02.00.13 - Нефтехимия АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Уфа-2015 2 Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный нефтяной технический университет». Научный руководитель: Научный консультант: Официальные оппоненты: Мастобаев Борис Николаевич доктор технических наук, профессор Фаттахов Мухарям Минниярович доктор технических наук, доцент Ахмадова Хава Хамидовна доктор технических наук, доцент / ФГБОУ ВПО «Грозненский государственный нефтяной технический университет имени академика М.Д. Миллионщикова», профессор кафедры «Химическая технология нефти и газа» Пантелеев Дмитрий Вячеславович кандидат технических наук /ЗакНаИп Епег§у 1пуе81теп1 Сотрапу Ы6., ведущий инженер Ведущая организация: ГУП «Институт нефтехимпереработки Республики Башкортостан» Защита диссертации состоится «17» декабря 2015 года в 14:00 на заседании диссертационного совета Д 212.289.01 при ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный нефтяной технический университет» по адресу: 450062, Республика Башкортостан, г. Уфа, ул. Космонавтов, 1. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный нефтяной технический университет» и на сайте хуту.гизоИ.пе!.. Автореферат диссертации разослан « -/^ » о/атльр-Л 2015 года. Ученый секретарь диссертационного совета профессор Сыркин А.М. 3 ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы. Во многих газодобывающих странах имеются большие запасы природных газов, находящиеся в труднодоступных районах, удаленных от мест потребления и районах со сложным климатом, где отсутствуют крупные рынки потребления углеводородного сырья. В этом случае сооружение магистральных газопроводов часто оказывается технически либо экономически нецелесообразным. Расходы на перекачку газа по магистральным газопроводам достаточно высоки, в связи с этим транспортировка газа непосредственно к местам потребления требует крупных капиталовложений как на строительство магистральных газопроводов так и на сооружение компрессорных станций. Подобное строительство может быть целесообразным только для крупных месторождений, обеспечивающих загрузку магистральных газопроводов минимум на 20-25 лет. Достаточно часто освоение месторождений сдерживает именно отсутствие действующих газотранспортных коммуникаций вблизи от них. Обеспечение России природным газом и развитие газовой промышленности России в ближайшем будущем связано с освоением отдаленных, труднодоступных месторождений, расположенных в недрах арктических морей и районах континентального шельфа. Освоение этих месторождений невозможно без разработки коммерчески привлекательной схемы транспортирования извлекаемого углеводородного сырья потребителям СНГ и Западной Европы. Помимо того, в районах добычи нефти порядка 9,1 млрд. м3 попутного газа ежегодно сжигается на факелах. Согласно оценкам в России на нефтепромыслах каждый год бесполезно сгорает около трети извлекаемого количества попутного нефтяного газа. Сжигание ПНГ наносит огромный ущерб окружающей среде и экономике страны. В настоящее время нефтегазодобывающие компании испытывают трудности при переработке попутного нефтяного газа, в связи с ограничением его использования на промыслах и формированием газотранспортной системы. Создание трубопроводной системы транспорта газа из указанных районов чрезвычайно дорого из-за больших расстояний и сурового климата. В связи с вышесказанным не менее актуальной является проблема утилизации ПНГ, получающегося совместно с нефтью на крупных, но отдаленных нефтяных месторождениях. Помимо строительства магистральных трубопроводов и сжижения природного газа с последующим транспортированием в специальных морских танкерах возможными решениями задачи являются химическая переработка природного газа в смесь жидких углеводородов, в том числе моторные топлива, 4 непосредственно в районах добычи, и последующая их транспортировка по более экономичной и гибкой схеме транспорта жидких продуктов (танкеры, трубопроводы малого диаметра, железная дорога). Превращение газовых запасов в востребованный потребителем продукт (монетизация запасов) весьма актуально. В настоящее время появляются новые предложения относительно возможностей применения технологии GTL. Внедрение технологии GTL в промышленных масштабах позволит газодобывающим странам или нефтегазовым компаниям превратить в востребованный продукт те запасы газа, которые раньше считалось экономически нецелесообразным добывать и транспортировать потребителю. Ряд стран, располагающих значительными ресурсами природного газа и по географическим условиям лишенных возможности пользоваться трубопроводным транспортом для доставки его потребителям, для развития своего экспортного потенциала уже активно используют (Малайзия, Тринидад) или ведут активную подготовку к использованию (Нигерия, Катар, Австралия) конверсии газа в такие жидкие продукты, как синтетические жидкие углеводороды (СЖУ) или метанол. Исходя из сказанного, такие технологические идеи, как проекты плавучих установок по переработке природного и попутного нефтяного газа «нерентабельных» морских месторождений в востребованные на рынке продукты, является актуальной задачей и может способствовать развитию нефтегазового комплекса страны. Цель работы: исследование вопросов утилизации природного и попутного нефтяного газа отдаленных, мелких, нерентабельных месторождений и их переработка в метанол и диметиловый эфир (ДМЭ) непосредственно на месте. Реализация поставленной цели обусловила необходимость решения следующих задач: - анализ состояния и выявление тенденций развития внешнего и внутреннего рынков углеводородного сырья и продуктов из него; - выявление «нерентабельных» газовых месторождений на шельфе арктических морей России и выбор наиболее перспективных для освоения их в ближайшие годы; - исследование процесса производства метанола и диметилового эфира, а также вопросы их дальнейшей транспортировки; - проведение анализа существующих технологий по получению метанола и диметилового эфира в России и за рубежом; 5 - исследование возможности применения плавучих установок по переработке попутного и природного газа в вышеуказанные продукты в морских условиях. Научная новизна. Впервые проведен анализ по развитию и функционированию заводов по производству метанола и ДМЭ. Рассмотрены существующие технологии по получению данных продуктов из природного и попутного нефтяного газа, а также возможные способы размещения этих производств. Выявлены различия, преимущества и недостатки технологий производства метанола и ДМЭ. Впервые рассмотрено становление, развитие плавучих установок по получению метанола и диметилового эфира. Проведен анализ технологий и технических средств по производству метанола и ДМЭ в море. Дана оценка перспектив дальнейшего применения этих технологий в морских условиях. Практическая ценность работы. Материалы диссертационной работы могут быть использованы при создании обобщающих историко-технических трудов, посвященных развитию газового дела в России и за рубежом. Основные положения работы используются в учебном процессе и включены в программу дисциплины «Современные ресурсоэнергосберегающие технологии при проектировании и эксплуатации газонефтепроводов и газонефтехранилищ» при подготовке магистров направления 21.04.01 «Нефтегазовое дело», а также включены в программу дисциплины «История развития технических средств и способов освоения морских месторождений нефти и газа» при подготовке бакалавров направления 131000 «Нефтегазовое дело» в ФГБОУ ВПО УГНТУ. Представленные в диссертации результаты работы будут полезны при выборе технологий производства на конкретных месторождениях, расположенных как на суше, так и на море. Апробация работы. Основные положения диссертационной работы и результаты исследований автора представлены на: международном научнопрактическом семинаре «Рассохинские чтения» (г. Ухта, 2014 г.); международных научно-технических конференциях «Реактив – 2011, 2012, 2013, 2014» (г. Уфа); международных учебно-научно-практических конференциях «Трубопроводный транспорт – 2012, 2013» (г. Уфа, УГНТУ); на 63, 64, 65 научно-технических конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых (г. Уфа, УГНТУ,2012, 2013, 2014 г.). Публикации. По материалам диссертации опубликовано 22 печатных издания, в том числе: 4 статьи в ведущих журналах, рекомендуемых перечнем ВАК и 17 тезисов докладов на научно-технических конференциях. 6 Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и выводов, содержит 154 страницы машинописного текста, в том числе 14 таблиц, 43 рисунка, библиографический список из 144 наименований. ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы цель и основные задачи исследования, отражена научная новизна и практическая ценность работы. Первая глава посвящена описанию проблемы утилизации природного и попутного газа отдаленных нефтяных месторождений, анализу существующих методов их переработки, а также рассмотрены вопросы, связанные с транспортировкой продуктов переработки природного и попутного нефтяного газа, альтернативных трубопроводному транспорту, к местам потребления. Рассмотрены наиболее перспективные альтернативные энергоносители, которые могут быть получены из природного и попутного нефтяного газа, также приведено их сравнение, выявлены преимущества и недостатки каждого продукта. Россия является крупнейшей мировой державой по запасам природного газа, которые составляют до 30% мировых разведанных запасов (таблица 1). Доля газа в топливно-энергетическом комплексе России увеличилась с 19% в 1970 году до 50% в настоящее время. Таблица 1 -Распределение ресурсов природного газа по районам Российской Федерации Регион Европейская часть Западная Сибирь (включая п-ов Ямал) Арктический шельф Восточная Сибирь и Дальний Восток Распределение запасов газа 10% 77% 8% 5% В течение последнего десятилетия в топливно-энергетическом комплексе идет непрерывная дискуссия и поиск вариантов транспортировки природного и попутного нефтяного газа, альтернативных трубопроводному транспорту, к местам потребления. Таким образом, существует три варианта углеводородного газового сырья (рисунок 1): получения потребителем 7 Рисунок 1 -Варианты транспортировки природного газа и продуктов его переработки Первый вариант - прокладка и эксплуатация газопроводов, этот традиционный вариант освоен и широко используется, в том числе в России. Однако создание трубопроводной системы транспорта газа из труднодоступных, отдаленных месторождений чрезвычайно дорого из-за больших расстояний и сурового климата. При добыче газа на шельфе эти затраты будут еще выше. Второй вариант - производство, транспортировка и потребление сжиженного природного газа (СПГ) - освоен в некоторых странах-производителях (Индонезия, Малайзия, США, Нигерия, Ливия, ОАЭ, Оман, Алжир, Ливия, Египет, Катар Тринидад и Табаго) и странах-потребителях (Япония, Южная Корея, США, Тайвань, ряд европейских стран). Технология производства и использования СПГ многоступенчатая, и пока дорогая. Третий вариант - производство синтетических жидких топлив (СЖТ) и других жидких продуктов из природного и попутного нефтяного газа (моторных топлив, метанола, масел или диметилового эфира) на месте добычи с последующей транспортировкой обычными танкерами или с использованием нефтепроводов реализован на двух крупных (компанией «Sasol» в ЮАР и компанией «Shell» в Малайзии) и на небольших опытно-промышленных установках (США). Впервые исследования экономической целесообразности морских перевозок природного газа, в случаях, когда невозможна его транспортировка по магистральным газопроводам, была выполнена американскими и французскими фирмами в середине 60-х годов прошлого века, при выборе оптимального решения о путях транспортировки газа из Алжира в Западную Европу. В настоящее время идет 8 строительство двух крупных установок в Катаре и Нигерии. Последние два варианта предназначены для районов с большими запасами недорогого газа. Во второй главе дана историческая справка по технологиям производства метанола, подробно описаны современные промышленные способы производства метанола. Проанализированы возможные способы размещения установок с целью производства метанола, также изучены конструкции реакторов синтеза и необходимые катализаторы для успешного выхода метанола из сырья. Среди многих зарубежных ученых, занимавшихся вопросами, касающимися метанола, следует назвать прежде всего таких, как М.Бойлер, Ж.Дюма и Э.Пелиго, М. Бертло, А. Митташ, М.Гудман, М. Сьютон, Эйплфорд и др. Зарубежные фирмыпроизводители метанола: «BASF» (Германия), «Chemical Systems inc.» (США), «ICI» (Великобритания), «Haldоr Tоpsоe» (Дания), «Lurgi», «TоyоEngineering», «PetrоWоrld» (Южная Африка). Разработкой плавучих установок по производству метанола в морских условиях занимались фирмы: «Swedyard develоpment», «Haldоr Tоpsоe», «ICI», «Sоlcо», «Davy Prоcess Technоlоgy». В России над решением проблем этой индустрии в разные годы работали: О.Б. Брагинский, В.Л. Крименко, М.М. Караваев, В.Е. Леонов, И.Г. Попов, Э.А. Караханов, В.В. Кельцев, А.Я. Розовский, А.Л.Соболев, Р.Р. Юнусов. В проектах, связанных с метанолом, был задействован целый ряд российских организаций: ОАО «Метафракс», ЗАО «Метанол», ООО «Сибметахим», ОАО «НОВАТЭК», ОАО «Тольяттиазот», ОАО «Щекиноазот», ОАО «Акрон», ОАО «Невинномысский Азот», ОАО «НАК «Азот» и ОАО «Новочеркасский завод синтетических продуктов». Метанол впервые был обнаружен Р. Бойлером в 1661 году в продуктах сухой перегонки древесины (отсюда название метанола – древесный спирт). Однако в чистом виде метиловый спирт, получаемый этим способом, был выделен только через 200 лет : в 1834 году Ж.Дюма и Э.Пелиго впервые удалось очистить его от примесей сопутствующих веществ, прежде всего уксусной кислоты и ацетона. В 1857 году Марселен Бертло получил метанол омылением хлористого метила. Процесс сухой перегонки древесины долгое время оставался, пожалуй, единственным способом производства метанола. До 1923 г. древесный спирт оставался единственным крупнотоннажным источником метанола. Сейчас он полностью вытеснен каталитическим синтезом из оксида углерода и водорода. Уже в 1913 г. А. Митташ получил кислородсодержащие соединения, в том числе метанол, синтезом из СО и Н2 на железных катализаторах. Однако эти 9 катализаторы быстро покрывались углеродом (сажей). В 1921 г. Р. Патар взял патент на синтез метанола из СО и Н2, причем в качестве катализаторов были названы все металлы и оксиды металлов, обладающие гидрирующей активностью. На основе его работ в 1922 г. вблизи Парижа была сооружена опытная установка синтеза метанола. Промышленное производство метанола синтезом из водорода и оксида углерода (II) впервые было осуществлено в Германии в 1923 году фирмой «BASF» и с тех пор непрерывно совершенствуется. Интересно, что в 1927 году в США был реализован промышленный синтез метанола, основанный не только на монооксиде, но и на диоксиде углерода. В России производство метанола впервые организовано в 1934 году в объеме 30 тонн в сутки на Новомосковском химическом комбинате из водяного газа, получаемого газификацией кокса. Российское производство метанола возросло в четыре раза в период с 1970 по 1985 гг. В настоящее время в результате развития и усовершенствования процесса получения метанола из синтез-газа используются реакторы большой мощности с производительностью до 2000 т метанола в сутки. Разработаны более активные катализаторы на основе оксидов цинка и меди, которые позволили смягчить условия синтеза – снизить давление до 5,0 -10,0 МПа, а температуру – до 250°С. В настоящее время существуют различные варианты переработки природного газа в синтез-газ, который в последующем превращают в метанол: углекислотная конверсия метана; паровая и парокислородная конверсии метана; прямое окисление природного газа кислородом или воздухом. Существует несколько вариантов по размещению технологических установок с целью производства метанола: 1) крупнотоннажное производство метанола на суше; Одной из главных мировых тенденций в производстве метанола является переход на мега-установки, которые в большом количестве стали строится в период 1990-2006 гг. За это время на Ближнем Востоке и в Латинской Америке появились 22 новых завода, суммарной мощностью почти 20 млн. тонн метанола в год. Мощность установок увеличилась с 1500 тонн в сутки до 5000 тонн. Одну из первых технологий получения метанола из природного газа, изображенную на рисунке 2, в 1967 г. разработала английская компания « ICI». Основными стадиями процесса по этой схеме являются: получение из природного газа синтез-газа в процессе каталитической паровой конверсии метана; компрессия синтез-газа; каталитический синтез метанола и его дистилляция. 10 Ι - получение синтез-газа; ΙΙ - компрессия синтез-газа; ΙΙΙ - синтез метанола; IV дистилляция метанола; 1 - исходный природный газ; 2- пар среднего давления; 3-пар высокого давления; 4- вода для питания котлов; 5- метанол - продукт; 6- сырой метанол; 7- конденсат Рисунок 2 - Схема получения метанола из природного газа Существующие технологии, как правило, базируются на двух и более стадийных процессах, при которых на первой стадии, наиболее сложной и дорогостоящей, осуществляется паровая, парокислородная или углекислотная конверсия метана в присутствии катализатора при температурах 700 - 900°C и давлении 2-3 МПа. Процесс проходит с высоким потреблением тепла. На второй стадии осуществляется конверсия полученного синтез-газа в метанол, при этом необходимо обеспечить равномерное распределение температур во всем объеме реактора. Исходя, из этого можно прийти к заключению, что подобные технологии применимы только в случае очень крупных комбинированных производств, где становится оправданной утилизация тепловых потерь для покрытия высоких энергозатрат и снижения себестоимости получаемых продуктов. Оптимальным решением проблемы снижения стоимости метанола может стать размещение производств метанола в непосредственной близости от потребителей, т.е. в районах газодобычи. Осуществить это возможно при строительстве легко транспортируемых производительностью 5000 – 20000 т/год. малотоннажных установок, 11 2) малотоннажное производство метанола для размещения на промыслах; В настоящее время все газодобывающие компании проявляют интерес к строительству малотоннажных производств метанола в районах Крайнего севера. Развитие малотоннажного производства метилового спирта и других ценных кислородосодержащих продуктов стало возможным после разработки теоретических основ процесса прямого окисления Северодонецким филиалом ГИАП, Институтом Химической Физики им. Н.Н. Семенова, Донецким институтом «ЮЖНИИГипрогаз», проведения серий лабораторных экспериментов и отработки в 1984 -1995гг технологии на опытно-промышленной установке по производству метанола производительностью 100 т/год на Шебелинском газоконденсатном месторождении (ГКМ), реально подтвердивших теорию и показавших возможность масштабирования. Но, к сожалению, по ряду объективных причин исследования завершить не удалось. Основная причина - дефицит газа, а затем развал СССР. Рентабельный проект малотоннажного производства метанола производительностью 12,5 тыс. т/год с использованием в качестве сырья природного газа в промысловых условиях впервые в России реализован в ОАО «НОВАТЭК» на территории Юрхаровского ГКМ. Технологическая схема производства представлена на рисунке 3. Рисунок 3 - Принципиальная технологическая схема малотоннажной установки по производству метанола 3) производство метанола в море В 1979 – 1980 годах было проведено исследование технической и экономической целесообразности строительства в Северном море плавучего завода по получению из попутного газа метанола. 12 Все используемые процессы производства метанола в 80-е годы из природного газа включали риформинг очищенного от сернистых соединений в потоке пара с образованием промежуточного газа, содержащего СО, Н2 и СО2 в соответствующих пропорциях. Применяемые процессы получения метанола, в основном, сходны, однако отличаются используемыми катализаторами и различной конструкцией риформеров и реакторов. В 1997 году на конференции по нефтехимии в Хьюстоне Дж. Аббатом был представлен вариант плавучей метанольной установки, которую возможно разместить рядом с нефтедобывающей платформой. Технология, разработанная фирмой «ICI» (Великобритания) в 1967 году, позволяла получать из легкого природного газа синтез – газ с малым содержанием инертных примесей. Наземная версия такой установки проработала два года (1995 – 1997 гг.) на заводе в Лавертоне (Австралия) и подтвердила свою надежность и эффективность. В связи с тем, что многие вновь открытые газовые месторождения являются морскими, специалисты норвежской фирмы «Solco» разработали проект специального судна для автономного производства метанола в открытом море мощностью около 1 млн т/год. Это комбинированный плавучий агрегат, ведущий одновременно морскую добычу попутного газа и производство метанола. Одно из преимуществ предлагаемого проекта – максимальное приближение производства к источнику сырья. Также разработкой плавучих установок по производству метанола в морских условиях занимались фирмы: «Swedyard development», «Haldor Topsoe», «ICI». В Баренцевом и других морях России имеются месторождения, разведанные запасы которых составляют десятки и сотни миллиардов куб. метров газа, освоение которых традиционными методами делает эти месторождения нерентабельным (таблица 2). Таблица 2 – Характеристики газовых месторождений Баренцева моря 13 Из таблицы видно, что наиболее перспективным для освоения с переработкой природного газа в метанол является «Мурманское» с разведанными запасами газа 120 млрд. куб. метров, где глубина моря - около 100 м. До настоящего времени разработки проектов освоения «нерентабельных» месторождений практически не велись. Способы разработки таких месторождений показаны на рисунке 4. «Coogee Chemicals» совместно с «Mogal Marine» разработали проект морской метанольной плавучей установки мощностью 10000 т/сут и надеются развернуть строительство таких плавучих заводов на небольших, труднодоступных, морских месторождениях «простаивающего газa» по всему миру. Метанольная плавучая установка, представленная на рисунке 5, включает двойную структуру корпуса, длиной 1000 футов и 200 футов шириной, с емкостью для хранения более 250000 тонн метилового спирта. Установка схожа по конструкции с традиционным FSPO. Рисунок 5 - Морская плавучая установка по производству метанола мощностью 10000 т/сут. Таким образом, подобный подход помогает более эффективно решить вопрос утилизации попутных газов морских «нерентабельных» месторождений газа, чем его простое сжигание на факелах. Производственные мощности по выпуску метанола в мире в период 1971-1980 гг. росли среднегодовым темпом 4,8% в год, в 1981-1987 гг. – 4,3 в год, в 1988-1992 гг. - 4,2 в год, в 1993-195 гг.-6,7 в год, в 1996-1999 гг. - 7,3% в год. Мощности по отдельным странам и основные фирмы-производители приведены в таблице 3. 14 15 Таблица 3- Мировые мощности по производству метанола Страна Компания Алжир Almor Аргентина Atanor S.A. Kasco Resintor Итого Celanese Canada Ltd Methanex Corp. Hovacor Ltd Итого Cape Horn Methanol Ltd (Methanex) Н.д. Канада Чили СНГ В том числе РФ ФРГ 1993 г. 110 Мощность,тыс.т/год 1995 г. 1997 г. 110 110 2000 г. 110 15 22 55 92 15 22 55 92 212 212 750 518 390 1658 750 518 570 1838 750 520 570 1840 800 520 570 1840 750 825 1800 2700 3790 2800 240 450 650 260 1600 32 3790 2800 240 450 650 260 1600 32 3450 2500 300 450 660 260 1670 3225 2500 430 450 660 260 1670 100 40 100 272 330 100 40 100 272 330 390 330 390 330 330 55 330 55 330 55 660 990 55 - 660 660 825 Израиль BASF DEA Leuna Werke Veba Oil AG Итого Assam Dipak Fertilizer аnd Chemical Fertiliser Corp. Narmada Welley Fertilizer Co. Итого Pertamina (MEDCO) Kaltim Итого Dor Chemicals Катар Qatar Petroleum Япония Mitsubishi Chemicals Co. Petroleos Mexicanos Methanor 270 270 316 320 172 172 210 210 740 740 760 800 Methanex Methanex Итого Statoil 450 430 880 - 450 430 880 - 1850 520 2370 825 1850 570 2420 933 1320 1320 1450 3100 1320 26 770 2090 26 800 2250 26 840 3940 26 1320 1320 500 1320 770 2090 500 1450 800 2250 525 3100 840 3940 525 Индия Индонезия Мексика Нидерланды Новая Зеландия Норвегия Саудовская Аравия Южная Африка Тринидад и Тобаго Великобритания Saudi Methanol (Ar-Razi) National Methanol (Ibn-Sina) Итого Sasol Trinidad Tobago Methanol Co. Carribian Methanol Итого ICI 16 По итогам 2013 г. мировое потребление метанола составило 66 млн. т, из них 65% пришлось на страны Азии, 17% - на Европу и 11% - на США. В 2014 г. рост потребления по прогнозам составил 5 млн. т, основная доля – 4 млн. т – пришлась на Китай. Потребность мировых стран в метаноле все время растет. Уже сегодня Турция использует около 500 тыс. тонн метанола в год как в химической промышленности, так и для производства товаров народного потребления. Италия использует в год более 800 тыс. тонн метанола, а Китай - около 35-40 млн. тонн в год. Ниже приведена динамика изменения стоимости газа по сравнению со средней стоимостью реализации метанола (таблица 4) и график изменения мирового спроса и потребности в метаноле (рисунок 6). Таблица 4 - Динамика стоимости газа ($/1000 куб. м) и средней цены реализации метанола ($/т) «Метафраксом» Газ Метанол 2009 г. 75 275 2010 г. 100 280 2011 г. 120 275 2012 г. 155 250 2013 г. 160 255 2014 г. 170 260 Изменение, % 226,7 94,5 Рисунок 6 – Прогнозы на мировой спрос и потребность в метаноле В третьей главе рассмотрены важнейшие направления применения диметилового эфира (ДМЭ), в том числе подробно рассмотрено использование ДМЭ в качестве моторного топлива дизельных двигателей. Приведена историческая справка по технологиям производства ДМЭ в России и за рубежом. 17 Проанализированы существующие современные способы производства ДМЭ и приведены рекомендации по выбору той или иной технологии. Долгое время ДМЭ в РФ получали только как побочный продукт синтеза метанола. В России с 1966 г. ректификационная установка по производству ДМЭ из метанола-сырца работала на «Щекиноазоте» (в 1986 она была остановлена из-за отсутствия сбыта ДМЭ, запущена снова в конце 2007 г.). Впервые же ДМЭ был практически применен в России в импортных двигателях большой мощности, установленных на строительной технике специального назначения, применявшейся на строительстве объектов на Крайнем Севере в 1970 -1975 гг. В апреле 2001 года на «Новомосковском Азоте» в цехе «Синтез», где производился аммиак и метанол, была смонтирована ректификационная колонна для получения диметилового эфира из метанола-сырца. Сегодня эта установка выпускает 50 тонн ДМЭ в месяц. В 2005 г. был заявлен проект производства ДМЭ на базе второй очереди ОАО «Саянскхимпласт» (ТНК-ВР). В качестве основного сырья для изготовления ДМЭ на саянской площадке рассматривался газ с Ковыктинского ГКМ. В 2012 году ОАО «Щекиноазот» и трансъевропейская компания «РСС SЕ» приступили к совместному строительству завода по производству диметилового эфира. Строительство началось на промышленной площадке ОАО «Щекиноазот» в Тульской области, а первая продукция должна быть получена уже в 2014 году. Технология производства ДМЭ разработана рядом зарубежных технологических фирм: «Haldor Topsoe» (Дания), «Air Products and Chemicals» (США), «NKK Corp.» (Япония), «BP» (Великобритания). Производство постоянно расширяется. Такие крупные компании, как «Mitsui», «Japan Oil» и «Mitsubis Gaz Chemistri», вскоре доведут выпуск диметилового эфира до 10 тыс. тонн в сутки. Рядом японских компаний образована компания «DME Development Co. Ltd.», которая разработала производственную установку с проектной мощностью 825 тыс. тонн в год. Первые опыты по применению ДМЭ в качестве топлива для грузовых автомобилей начались еще в начале 90-х годов. Исследования показали значительное снижение вредных выбросов по сравнению с дизтопливом. В начале ХХI века исследования и разработки были продолжены. Наиболее активно и результативно эта работа проводилась в США и Швеции. В России с 1992 г., а за рубежом с 1994 г. ведутся работы по использованию ДМЭ в качестве моторного топлива для дизелей. Основными фирмами разработчиками в России является 18 «НИИ двигателей», а за рубежом «Haldоr Topsоe», «Technical University of Denmark», «AVL LIST Gmbh» (Австрия), «Amoco Corp.» (США), «Navistar International Co» (США). Согласно прогнозам аналитиков, через 15–20 лет весь тяжелый и средний транспорт в мире полностью перейдет на ДМЭ. Существует несколько способов получения диметилового эфира: 1)Технология получения диметилового эфира дегидратацией метанола. Процесс каталитической дегидратации метанола с целью получения ДМЭ, в основном, заключается в следующем: исходное метаноловое сырье нагревается через испаритель или выпарную колонну, и затем все пары подаются в реактор для проведения реакции. Продукт реакции из реактора конденсируется и затем подается в колонну ректификации ДМЭ для проведения ректификационного разделения. ДМЭ выдается из верхней части колонны ректификации ДМЭ, и смесь метанола и воды выпускается из основания колонны ректификации ДМЭ и входит в колонну регенерации метанола для проведения ректификационного разделения. Метанол, полученный из регенерационной колонны, передается назад в буферный резервуар метанола для смешивания с исходным сырьем и для повторного испарения, сточные воды выпускаются из системы через дно колонны регенерации метанола. Данный способ получения диметилового эфира из метанола применяется в России на «Новомосковском Азоте» и ОАО «Щекиноазот» согласно рисунку 7. резервуар для хранения метанола резервуар питающий насос клапан для понижения давления ДМЭ потребители охладитель в обработку сточных вод подогреватель ректификационная колонна ДМЭ метанол, вода, уксусн.к-та, ацетон метанол сточные воды очистка от примесей ректификационная колонна метанола Рисунок 7 – Схема получения ДМЭ из метанола 19 Двухступенчатый способ синтеза ДМЭ - основной процесс для производства ДМЭ в Китае и за рубежом. 2)Одностадийный синтез диметилового эфира из синтез-газа. При одностадийном методе применяют «бифункциональный» катализатор, в реакторе идёт образование метанола с его одновременной дегидратацией в ДМЭ; далее необходима лишь стадия разделения этих продуктов с учетом значительной разницы в температуре кипения ДМЭ (–28 ºC), метанола (56 ºC) и воды (100 ºC). Эта стадия осуществляется достаточно просто – ректификацией или последовательной конденсацией. Поскольку температуры синтеза метанола и его дегидратации близки, оба процесса могут быть осуществлены в одном реакторе и, более того, на одном и том же «бифункциональном» катализаторе. Типовая схема получения диметилового эфира из угля или природного газа, разработанная компанией «Haldоr Tоpsоe» (Дания), показана на рисунке 8. продувочный газ непрореагировавший газ природный газ ДМЭ шахтный метан уголь кислород пар сепаратор жидкость/ газ метанол получение синтез-газа ректификационная колонна реактор синтеза ДМЭ разделительная колонна CO2 колонна очистки ДМЭ Рисунок 8 – Типовая схема прямого синтеза ДМЭ из природного газа Японская компания «JFE Holdings Co.» в 2002 году впервые осуществила одноступенчатый синтез ДМЭ. Первым шагом компании был поиск катализатора прямого синтеза и его испытание на малой установке, производительностью 5 кг/день. Вторым шагом в данном направлении было строительство экспериментального завода мощностью 5 тонн/сутки, построенного совместно с Министерством экономики, торговли и промышленности (METI). 20 В настоящее время, как в России, так и за рубежом имеются разработки технологии прямого получения ДМЭ из синтез-газа, минуя стадию синтеза и очистки метанола, что является наиболее прогрессивным и экономичным решением. Для получения ДМЭ возможно использовать оборудование метанольного производства, имеющего близкую технологию, что позволяет существенно снизить капитальные затраты на новое строительство. Выпуск ДМЭ в мире за последние несколько лет резко возрос и в настоящее время составляет десятки миллионов тонн. Четвертая глава посвящена перспективам и прогнозам использования метанола и диметилового эфира, а также приводится перечень запланированных производств в России и за рубежом. Мировой метанольный рынок стремительно развивается, его конфигурация меняется. Основными потребителями становятся азиатские страны с доминирующим Китаем, где метанол широко используется как энергетический ресурс и сырье для получения олефинов. В число крупнейших стран-экспортеров уже в обозримом будущем войдут США. По итогам 2013 г. мировое потребление метанола составило 66 млн т, из них 65% пришлось на страны Азии, 17% - на Европу и 11% - на США. В 2014 г. рост потребления по прогнозам составит 5 млн. т, основная доля – 4 млн. т – придется на Китай. Мировой спрос к 2018 г. прогнозируется уже на уровне 92 млн. т. При этом наибольшую часть продукта по-прежнему будут потреблять азиатские страны (70%). Прогноз на 2014-2019 гг. предусматривает рост спроса на метанол в этом регионе с 40 млн. т до 65 млн. т. В ближайшие время в Китае могут быть введены метанольные заводы суммарной мощностью около 13 млн. т/год. Ниже в таблице 5 представлены проекты метанольных производств. Таблица 5 - Новые проекты метанольных производств в Китае (строящиеся, проектируемые, рассматриваемые) Компания Hebei Qianan Chem Co/Inner Mongolia Zhalute Xingta Mine Co Yongcheng Coal & Electricity Group Co Qinghai Zhonghao Natural Gas Chemical Co Shanxi Coking Co Shandong Yanzhou Coal Mining Co Hainan Longdu Industrial Development Co Shanghai Coking & Chemical Co Inner Mongolia Xiyang Coal Chemical Co Мощность, тыс. т/год 800 Сырье природный газ 500 600 300 600 600 450 400 уголь природный газ уголь уголь природный газ природный газ уголь 21 Внутренний рынок метанола в России пока полностью обеспечивается собственными производственными ресурсами. В 2013 г. наблюдался значительный рост внутреннего рынка при одновременном снижении экспорта. Темпы роста производства замедлились, сохранив, тем не менее, положительную динамику. Согласно планам Минэнерго России, в долгосрочном периоде предполагается рост добычи газа, что приведет к увеличению спроса на метанол в данном сегменте более чем на 25% к 2025 г. Диметиловый эфир, как топливо, интересен не только универсальностью его применения и высокими экологическими характеристиками, но, в первую очередь, реализация процесса переработки природного газа в высококачественное жидкое топливо и ДМЭ позволит утилизировать сжигаемый сегодня попутный газ, разрабатывать удаленные от магистрального газопровода месторождения газа и обеспечит топливом для местных нужд. На востоке России находится ряд газовых месторождений, для которых использование технологии ДМЭ представляется многообещающим. Технология ДМЭ заслуживает внимания и применительно к шельфовым нефтегазовым провинциям Европейской части России – здесь газ может перерабатываться в ДМЭ непосредственно на морских платформах с последующей отгрузкой в пропанбутановые танкеры. «Daewoo Shipbuilding and Marine Engineering» (DSME) и «Korea Gas Corporation» в 2009 г. договорились о проведении совместного проекта по разработке базовой технологии и оборудования для плавучего завода по производству ДМЭ (Dimethyl Ether FPSO), который предназначен для сжижения природного газа на своих палубах с целью получения различных химических продуктов. Строительство такого завода, изображенного на рисунке 9, запланировано на 2010-2015 гг. в бухте Чажма Приморского края. Рисунок 9 – Внешний вид морского плавучего завода по производству ДМЭ 22 Южнокорейская компания «KOGAS» планирует построить заводы по производству ДМЭ в странах Ближнего Востока и африканских странах, таких как Саудовская Аравия, Мозамбике и Нигерии. Также корейская компания планирует строительство ДМЭ заводов и плавучих заводов (ДМЭ-FPSO) в Малайзии, Австралии и других странах Азии. Компания уже провела предварительные технико-экономические расчеты в месте «Tassie Shoal» по производству ДМЭ в коммерческих масштабах в Северной Австралии. ВЫВОДЫ 1. Проведен анализ способов утилизации попутного нефтяного газа отдаленных малых морских месторождений. Показано, что получение таких химических продуктов как метанол и диметиловый эфир является рентабельным при эксплуатации малодебитных морских месторождений, освоение которых традиционными методами невозможно в условиях арктических морей и районах континентального шельфа. 2. Проанализировано развитие, становление новых технологий и технических средств для производства метанола и ДМЭ в различных условиях. Показано, что технология производства метанола и ДМЭ, а также набор установок, их технологические параметры и их дизайн зависят от условий производства (море, суша), а также от свойств и объемов используемого газа. 3. Выявлены перспективы освоения «нерентабельных» месторождений газа, которые в ближайшие годы могут дать существенный вклад в экономику России. Обоснован эффективный способ освоения таких месторождений путем использования морских плавучих технологических установок (MFPSO) по переработке попутного газа в метанол и ДМЭ, цена и спрос на которые на мировом рынке растет быстрыми темпами. 4. Показаны возможности осуществления переработки продукции скважин в условиях морских нефтегазовых месторождений и последующего транспорта потребителям. 5. Выявлено, что переработка природного и попутного нефтяного газа в ДМЭ непосредственно на труднодоступных месторождениях и его дальнейшее использование в качестве моторного топлива позволит решить сразу несколько проблем: возможность утилизации ПНГ малодебитных месторождений; получение экологически чистого моторного топлива, освоение малоресурсных месторождений при полном отсутствии транспортной инфраструктуры, исчезает необходимость сооружения магистральных газопроводов в районах, удаленных от мест потребления и районах со сложными климатическими условиями. 23 Основное содержание работы изложено в 22 научных трудах, из них статьи № 14 опубликованы в журналах из перечня ВАК РФ: 1. Гимаева, А.Р. Проблемы утилизации попутного газа морских месторождений и его транспорта в виде моторных топлив / А.Р. Гимаева, Б.Н. Мастобаев // Транспорт и хранение нефтепродуктов и углеводородного сырья. – 2012. - №4. – С. 32 – 35. 2. Гимаева, А.Р. Технологии и технические средства, применяемые для получения метанола на морских месторождениях / А.Р. Гимаева, А.М. Шаммазов // Транспорт и хранение нефтепродуктов и углеводородного сырья. – 2013. - №3. – С. 40 – 46. 3. Гимаева, А.Р. Становление межконтинентальных морских перевозок сжиженного газа / А.Р. Гимаева, А.И.Иванов, И.И. Хасанов // Транспорт и хранение нефтепродуктов и углеводородного сырья. – 2013. - №4. – С. 91 – 96. 4. Гимаева А.Р. Особенности производства диметилового эфира и его использование в качестве перспективного моторного топлива / А.Р. Гимаева, М.М. Фаттахов, Б.Н. Мастобаев // Нефтегазовое дело. – 2015. - № 3. – С.42-45. 5. Гимаева, А.Р. Технологические процессы сжижения природного газа на северных заводах / А.Р. Гимаева, А.М. Шаммазов, Б.Н. Мастобаев, В.Ю. Дорожкин // История науки и техники. – 2013. - №7. – С. 48 –59. 6. Гимаева, А.Р. Утилизация попутных газов морских месторождений с целью получения метанола и его дальнейшего использования в разных областях промышленности / А.Р. Гимаева, Б.Н.Мастобаев // Реактив – 2011: Матер XXV Юб. Междунар. научно-техн. Конф. / Уфа: «Реактив», 2011. – C. 116-117. 7. Гимаева, А.Р. Особенности производства и транспорта метанола на морских месторождениях / А.Р. Гимаева, Б.Н.Мастобаев // Рассохинские чтения: материалы межрегионального семинара (3-4 февраля 2012 года) / под ред. Н.Д. Цхадая. – Ухта: УГТУ, 2012. – С. 380-383. 8. Гимаева, А.Р. Проблема транспорта и переработки попутных газов морских месторождений в моторные топлива / А.Р. Гимаева // 63-я научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых: Материалы конференции / УГНТУ. - Уфа, 2012. - Кн.1. - С.24-25. 9. Гимаева, А.Р. Альтернативные технологии переработки и транспорта попутных нефтяных газов морских месторождений / А.Р. Гимаева, Б.Н.Мастобаев // Трубопроводный транспорт - 2012: Матер VIII Междунар. учебно-научно-практ. конф. / УГНТУ. – Уфа: Изд-во УГНТУ, 2012. – C. 42-44. 10. Гимаева, А.Р. Получение диметилового эфира из попутного нефтяного газа морских месторождений и его использование в качестве перспективного моторного топлива / А.Р. Гимаева, Б.Н.Мастобаев // Реактив – 2012: Матер XII Междунар. научн. конф. / Уфа: «Реактив», 2012. – C. 187-189. 11. Гимаева, А.Р. Новые технологии химической переработки попутного газа в ценные жидкие продукты / А.Р. Гимаева, Б.Н.Мастобаев // Рассохинские чтения: 24 материалы межрегионального семинара (8-9 февраля 2013 года) / под ред. Н.Д. Цхадая. – Ухта: УГТУ, 2013. – С. 123-126. 12. Гимаева, А.Р. Применение GTL-технологий на морских месторождениях/ А.Р. Гимаева, А.М.Шаммазов // 64-я научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых : Материалы конференции / УГНТУ. - Уфа, 2013. - Кн.1.С.14-15. 13. Гимаева, А.Р. Производство и транспорт метанола с малодебитных морских месторождений / А.Р. Гимаева, Б.Н.Мастобаев // Трубопроводный транспорт - 2013: Матер IХ Междунар. учебно-научно-практ. конф. / УГНТУ. – Уфа: Изд-во УГНТУ, 2013. – C. 39-41. 14. Гимаева, А.Р. Методы производства и транспорта диметилового эфира / А.Р. Гимаева, Б.Н.Мастобаев // Трубопроводный транспорт - 2013: Матер IХ Междунар. учебно-научно-практ. конф. / УГНТУ. – Уфа: Изд-во УГНТУ, 2013. – C. 41-43. 15. Гимаева, А.Р. Развитие техники и технологий морских нефтеналивных судов / А.Р. Гимаева, А.И. Иванов // Трубопроводный транспорт - 2013: Матер. IХ Междунар. учебно-научно-практ. конф. / УГНТУ. – Уфа: Изд-во УГНТУ, 2013. – C. 69-71. 16. Гимаева, А.Р. Применение катализаторов для синтеза метанола из попутных нефтяных газов / А.Р. Гимаева // Реактив – 2013: Матер. XIII Междунар. научн. конф. / Уфа: «Реактив», 2013. – C. 93-95. 17. Гимаева, А.Р. Применение катализаторов для синтеза метанола из попутных нефтяных газов малодебитных морских месторождений / А.Р. Гимаева, Б.Н.Мастобаев // Рассохинские чтения: материалы международного семинара (6-7 февраля 2014 года) / под ред. Н.Д. Цхадая. – Ухта: УГТУ, 2014. – С. 48-50. 18. Гимаева, А.Р. Применение GTL-технологий на морских месторождениях / А.Р. Гимаева // Проблемы строительного комплекса России: Матер. XVIII Междунар. научно-техн. конф. / Уфа: РИЦ УГНТУ, 2014. – C. 254-255. 19. Гимаева, А.Р. Катализаторы, применяемые для синтеза метанола из попутных нефтяных газов/ А.Р. Гимаева // 65-я научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых: Материалы конференции / УГНТУ. - Уфа, 2014. - Кн.2.- С.56-57. 20. Гимаева, А.Р. История применения GTL-технологий на отдаленных морских месторождениях / А.Р. Гимаева, Б.Н.Мастобаев // Реактив – 2014: Матер. XIV Междунар. научн. конф. / Уфа: «Реактив», 2014. – C. 25-27. 21. Гимаева, А.Р. Особенности производства метанола из попутных нефтяных газов / А.Р. Гимаева // Реактив – 2014: Матер. XXVIII Междунар. научно-техн. конф. / Уфа: «Реактив», 2014. – C. 185-187. 22. Гимаева, А.Р. Производство диметилового эфира в морских условиях / А.Р. Гимаева // Трубопроводный транспорт - 2015: Матер. Х Междунар. учебно-научно-практ. конф. / УГНТУ. – Уфа: Изд-во УГНТУ, 2015. – C. 251-252.
