Газ в жидкости
Газ в жидкости ( GTL ) — это природного процесс переработки газа или других газообразных углеводородов в углеводороды с более длинной цепью, такие как бензин или дизельное топливо . Газы, богатые метаном, перерабатываются в жидкое синтетическое топливо . Существуют две общие стратегии: (i) прямое частичное сжигание метана в метанол и (ii) процессы, подобные Фишеру-Тропшу , которые превращают окись углерода и водород в углеводороды. Стратегия II сопровождается различными методами преобразования смесей монооксида водорода и углерода в жидкости. Прямое частичное сгорание было продемонстрировано в природе, но не воспроизведено в коммерческих целях. Технологии, основанные на частичном сжигании, коммерциализируются в основном в регионах, где природный газ стоит недорого. [1] [2]
Целью GTL является производство жидкого топлива, которое легче транспортировать, чем метан. Метан необходимо охладить ниже критической температуры -82,3 °C, чтобы его можно было сжижать под давлением. Из-за связанного с ним криогенного оборудования танкеры СПГ для перевозки используются . Метанол — это горючая жидкость, с которой удобно обращаться, но его энергетическая плотность вдвое ниже, чем у бензина. [3]
Процесс Фишера-Тропша
[ редактировать ]
Процесс GtL может быть реализован с помощью процесса Фишера-Тропша, который включает несколько химических реакций, которые превращают смесь монооксида углерода (CO) и водорода (H 2 ) в длинноцепочечные углеводороды. Эти углеводороды обычно являются жидкими или полужидкими и в идеале имеют формулу (C n H 2 n +2 ).
Чтобы получить смесь CO и H 2 , необходимую для процесса Фишера-Тропша, метан (основной компонент природного газа) можно подвергнуть частичному окислению, в результате чего получается смесь сырого синтез-газа, состоящая в основном из диоксида углерода , оксида углерода и газообразного водорода. (а иногда вода и азот). [4] Соотношение монооксида углерода и водорода в смеси сырого синтез-газа можно регулировать, например, с помощью реакции конверсии водяного газа . Удаление примесей, особенно азота, диоксида углерода и воды, из смеси сырого синтез-газа дает чистый синтез-газ (синтез-газ).
Чистый синтез-газ направляется в процесс Фишера-Тропша, где синтез-газ реагирует на железном или кобальтовом катализаторе с образованием синтетических углеводородов, включая спирты.
Процесс превращения метана в метанол
[ редактировать ]Метанол производится из метана (природного газа) в результате трех реакций:
- Паровой реформинг
- CH 4 + H 2 O → CO + 3 H 2 Δ r H = +206 кДж моль −1
- Реакция сдвига воды
- CO + H 2 O → CO 2 + H 2 Δ r H = -41 кДж моль −1
- Синтез
- 2 H 2 + CO → CH 3 OH Δ r H = -92 кДж моль −1
Образовавшийся таким образом метанол может быть преобразован в бензин по процессу Mobil и в метанол в олефины.
Метанол в бензин (MTG) и метанол в олефины
[ редактировать ]В начале 1970-х годов компания Mobil разработала альтернативную процедуру, при которой природный газ преобразуется в синтез-газ, а затем в метанол . Метанол реагирует в присутствии цеолитного катализатора с образованием алканов . С точки зрения механизма, метанол частично дегидратируется с образованием диметилового эфира :
- 2 CH 3 OH → CH 3 OCH 3 + H 2 O
Смесь диметилового эфира и метанола затем дополнительно обезвоживается на цеолитном катализаторе, таком как ZSM-5 , который на практике полимеризуется и гидрируется с получением бензина, в котором углеводороды с пятью или более атомами углерода составляют 80% топлива по весу. Процесс Mobil MTG практикуется на основе метанола, полученного из угля, в Китае компанией JAMG . Более современной реализацией MTG является синтез улучшенного бензина Топсе (TiGAS). [5]
Метанол можно превратить в олефины с использованием гетерогенных катализаторов на основе цеолита и SAPO . В зависимости от размера пор катализатора этот процесс может давать продукты C2 или C3, которые являются важными мономерами. [6] [7]
Сингаз в бензин плюс процесс (STG+)
[ редактировать ]
Третий процесс преобразования газа в жидкость основан на технологии MTG путем преобразования синтез-газа, полученного из природного газа, в бензин и реактивное топливо с помощью термохимического одноконтурного процесса. [8]
Процесс STG+ состоит из четырех основных этапов в одном непрерывном цикле процесса. Этот процесс состоит из четырех реакторов с неподвижным слоем последовательно соединенных , в которых синтез-газ преобразуется в синтетическое топливо. Этапы производства высокооктанового синтетического бензина следующие: [9]
- Синтез метанола : Синтез-газ подается в Реактор 1, первый из четырех реакторов, в котором преобразуется большая часть синтез-газа (CO и H 2 ) в метанол ( CH 3 OH ) при прохождении через слой катализатора.
- Синтез диметилового эфира (ДМЭ). Богатый метанолом газ из реактора 1 затем подается в реактор 2, второй реактор STG+. Метанол подвергается воздействию катализатора , и большая его часть превращается в ДМЭ, что включает дегидратацию метанола с образованием ДМЭ ( СН 3 ОЧ 3 ).
- Синтез бензина: газообразный продукт реактора 2 затем подается в реактор 3, третий реактор, содержащий катализатор конверсии ДМЭ в углеводороды, включая парафины ( алканы ), ароматические соединения , нафтены ( циклоалканы ) и небольшие количества олефинов ( алкенов ), в основном из C 6 (количество атомов углерода в молекуле углеводорода) до С 10 .
- Обработка бензина: Четвертый реактор обеспечивает обработку трансалкилированием и гидрированием продуктов, поступающих из реактора 3. Обработка уменьшает количество компонентов дурола (тетраметилбензола)/изодурена и триметилбензола, которые имеют высокие температуры замерзания и должны быть сведены к минимуму в бензине. В результате синтетический бензин имеет высокое октановое число и желаемые вискозиметрические свойства.
- Сепаратор: Наконец, смесь из реактора 4 конденсируется с получением бензина. Неконденсированный газ и бензин разделяются в обычном конденсаторе/сепараторе. Большая часть неконденсированного газа из сепаратора продуктов становится рециркулируемым газом и направляется обратно в поток сырья в реактор 1, оставляя синтетический бензин, состоящий из парафинов, ароматических соединений и нафтенов.
Биологическое преобразование газа в жидкость (Bio-GTL)
[ редактировать ]Поскольку метан является основной мишенью для GTL, большое внимание было сосредоточено на трех ферментах, перерабатывающих метан. Эти ферменты поддерживают существование метанотрофов , микроорганизмов, которые метаболизируют метан как единственный источник углерода и энергии. Аэробные метанотрофы содержат ферменты, которые превращают метан в метанол. Соответствующими ферментами являются метанмонооксигеназы , которые встречаются как в растворимых, так и в дисперсных (т.е. мембраносвязанных) вариантах. Они катализируют оксигенацию в соответствии со следующей стехиометрией:
- СН 4 + О 2 + НАДФН + Н + → CH 3 OH + H 2 O + НАД +
Анаэробные метанотрофы полагаются на биоконверсию метана с помощью ферментов, называемых метилкофермент М-редуктазами . Эти организмы осуществляют обратный метаногенез . Были предприняты напряженные усилия для выяснения механизмов действия этих ферментов, преобразующих метан, что позволило бы воспроизвести их катализ in vitro. [10]
Биодизель можно производить из CO 2 с использованием микробов Moorella thermoacetica и Yarrowia lipolytica . Этот процесс известен как биологическое превращение газа в жидкость. [11]
Коммерческое использование
[ редактировать ]
Используя процессы преобразования газа в жидкость, нефтеперерабатывающие заводы могут перерабатывать некоторые из своих газообразных отходов ( факельный газ ) в ценное жидкое топливо , которое можно продавать как есть или смешивать только с дизельным топливом . По оценкам Всемирного банка , более 150 миллиардов кубических метров (5,3 × 10 12 куб футов) природного газа сжигаются или сбрасываются ежегодно, на сумму около 30,6 миллиардов долларов, что эквивалентно 25% потребления газа в США или 30% годового потребления газа в Европейском Союзе, [12] ресурс, который может быть полезен при использовании GTL. Процессы преобразования газа в жидкость также могут использоваться для экономичной добычи газовых месторождений в местах, где строительство трубопровода нерентабельно. Этот процесс будет приобретать все большее значение по мере сырой нефти запасов истощения .
Royal Dutch Shell производит дизельное топливо из природного газа на заводе в Бинтулу , Малайзия . Еще одним заводом Shell GTL является завод Pearl GTL в Катаре , крупнейший в мире завод GTL. [13] [14] Недавно Sasol построила завод Oryx GTL в промышленном городе Рас-Лаффан , Катар, а совместно с «Узбекнефтегазом» и Petronas строит завод GTL в Узбекистане . [15] [16] [17] Корпорация Chevron в рамках совместного предприятия с Нигерийской национальной нефтяной корпорацией вводит в эксплуатацию установку Escravos GTL в Нигерии , которая использует технологию Sasol. PetroSA , национальная нефтяная компания ЮАР, владеет и управляет заводом GTL производительностью 22 000 баррелей в день в Моссел Бэй , использующим технологию Sasol GTL. [18]
Амбициозные и новые предприятия
[ редактировать ]Новое поколение технологии GTL разрабатывается для преобразования нетрадиционного, труднодоступного и проблемного газа в ценное жидкое топливо. [19] [20] Заводы GTL на основе инновационных катализаторов Фишера-Тропша построены компанией «ИНФРА Технолоджи» . Другие компании, в основном американские, включают Velocys, ENVIA Energy, Waste Management, NRG Energy, ThyssenKrupp Industrial Solutions, Liberty GTL, Petrobras , [21] Гринвей Инновационная Энергия, [22] Примус Зеленая Энергия, [23] Компактный ГТЛ, [24] и Петронас. [25] Некоторые из этих процессов доказали свою эффективность в демонстрационных полетах с использованием их реактивного топлива. [26] [27]
Другое предложенное решение проблемы застрявшего газа предполагает использование нового FPSO для морской переработки газа в жидкости, такие как метанол , дизельное топливо , бензин , синтетическая нефть и нафта . [28]
Экономика GTL
[ редактировать ]GTL с использованием природного газа является более экономичным, когда существует большой разрыв между преобладающей ценой на природный газ и ценой на сырую нефть в расчете на баррель нефтяного эквивалента (BOE). Коэффициент 0,1724 дает полный нефтяной паритет . [29] GTL — это механизм, позволяющий снизить международные цены на дизельное топливо/бензин/сырую нефть до уровня цены на природный газ в условиях расширяющейся глобальной добычи природного газа по более низкой цене, чем цена на сырую нефть. Когда природный газ перерабатывается в GTL, жидкие продукты легче экспортировать по более низкой цене, чем перерабатывать их в СПГ и далее перерабатывать в жидкие продукты в стране-импортере. [30] [31]
Однако производство топлива GTL намного дороже, чем производство обычного топлива. [32]
См. также
[ редактировать ]Библиография
[ редактировать ]- Бугаард П.Дж., Каррильо Дж.К., Робертс Л.Г. и Уэйл Г.Ф. (2017) Токсикологические и экотоксикологические свойства продуктов преобразования газа в жидкость (GTL) . 1. Токсикология млекопитающих. Критические обзоры по токсикологии, 47(2), 121-144.
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Хёк, Микаэль; Фантаццини, Дин; Ангелантони, Андре; Сноуден, Саймон (2013). «Сжижение углеводородов: жизнеспособность как стратегия смягчения последствий пика нефти» . Философские труды Королевского общества А. 372 (2006): 20120319. Бибкод : 2013RSPTA.37220319H . дои : 10.1098/rsta.2012.0319 . ПМИД 24298075 . Проверено 3 июня 2009 г.
- ^ Канеко, Такао; Дербишир, Фрэнк; Макино, Эйитиро; Грей, Дэвид; Тамура, Масааки (2001). «Сжижение угля». Энциклопедия промышленной химии Ульмана . Вайнхайм: Wiley-VCH. дои : 10.1002/14356007.a07_197 . ISBN 978-3-527-30673-2 .
- ^ «Центр данных по альтернативным видам топлива: сравнение свойств топлива» .
- ^ «Газовый POX – частичное окисление природного газа» . Эйр Ликид . 18 марта 2016 г. Проверено 18 февраля 2021 г.
- ^ Олсби, Ю.; Свевелле, С.; Бьорген, М.; Беато, П.; Янссенс, TVW; Йоэнсен, Ф.; Бордига, С.; Лиллеруд, КП (2012). «Превращение метанола в углеводороды: как полость и размер пор цеолита контролируют селективность продукта». Энджью. хим. Межд. Эд . 51 (24): 5810–5831. дои : 10.1002/anie.201103657 . hdl : 2318/122770 . ПМИД 22511469 . S2CID 26585752 .
- ^ Тиан, П.; Вэй, Ю.; Йе, М.; Лю, З. (2015). «Метанол в олефины (МТО): от основ к коммерциализации» . АСУ Катал . 5 (3): 1922–1938. дои : 10.1021/acscatal.5b00007 .
- ^ Исмаил Амгизар; Лориен А. Вандевалле; Кевин М. Ван Гим; Гай Б. Марин (2017). «Новые тенденции в производстве олефинов» . Инженерное дело . 3 (2): 171–178. дои : 10.1016/J.ENG.2017.02.006 .
- ^ ЛаМоника, Мартин. Природный газ становится мостом к биотопливу Обзор технологий MIT , 27 июня 2012 г. Дата обращения: 7 марта 2013 г.
- ^ Введение в технологию Primus STG +. Архивировано 11 апреля 2013 г. в archive.today Primus Green Energy , без даты. Проверено: 5 марта 2013 г.
- ^ Лоутон, Ти Джей; Розенцвейг, AC (2016). «Биокатализаторы для конверсии метана: большой прогресс в разрушении небольшого субстрата» . Курс. Мнение. хим. Биол . 35 : 142–149. дои : 10.1016/j.cbpa.2016.10.001 . ПМК 5161620 . ПМИД 27768948 .
- ^ Микробы в паре для биологического процесса преобразования газа в жидкость (Bio-GTL).
- ↑ Всемирный банк и партнеры GGFR раскрывают ценность отходов газа». Архивировано 9 июля 2017 г. в Wayback Machine , Всемирный банк , 14 декабря 2009 г. Проверено 17 марта 2010 г.
- ^ «Завод по переработке газа в жидкость «Жемчужина», Рас-Лаффан, Катар» . Проверено 22 июня 2009 г.
- ^ Голд, Рассел (4 апреля 2012 г.). «Shell взвешивает завод по переработке природного газа в дизельное топливо в Луизиане» . Уолл Стрит Джорнал . Проверено 5 мая 2012 г.
- ^ «Petronas подписывает узбекский пакт GTL» . Апстрим онлайн . Медиа-группа НСТ . 8 апреля 2009 г. Проверено 18 июля 2009 г.
- ^ «Малайзийская компания Petronas заключила сделку по добыче нефти в Узбекистане» . Рейтер . 14 мая 2009 г. Проверено 18 июля 2009 г.
- ^ «Договор аренды завода GTL в Узбекистане» . Нефтегазовый журнал . Корпорация Пеннвелл . 08 марта 2010 г. Проверено 14 марта 2010 г.
- ^ Вуд, Д.А.; и др. (ноябрь 2021 г.). «Обзор отрасли, предлагающей несколько путей монетизации природного газа». Журнал науки и техники о природном газе . 9 : 196–209. дои : 10.1016/j.jngse.2012.07.001 .
- ^ «Маломасштабные и модульные технологии продвигают индустрию GTL вперед» .
- ^ Попов, Дмитрий. «Раскрытие ценности заброшенных и удаленных морских газовых активов» . Архивировано из оригинала 11 февраля 2017 г. Проверено 10 февраля 2017 г.
- ^ Четвинд, Гарет (20 января 2012 г.). «Petrobras выводит газовые факелы из моды с помощью GTL» (PDF) . КомпактныйGTL .
- ^ «Greenway Technologies Inc. отмечает важную веху, завершая выпуск первого коммерческого G-Reformer®» (пресс-релиз). 7 марта 2018 г.
- ^ «Результаты эксплуатации демонстрационной установки Primus Green Energy подтверждают впечатляющие эксплуатационные и экономические показатели согласно отчету независимых инженеров» . Примус Зеленая Энергия . 7 ноября 2013 г. Архивировано из оригинала 24 сентября 2015 г.
- ^ Фэрли, Питер (15 марта 2010 г.). «Превращение газовых факелов в топливо» . Обзор технологий Массачусетского технологического института .
- ^ «ОБНОВЛЕНИЕ 2. Малайзийская компания Petronas заключила сделку по добыче нефти в Узбекистане» . Рейтер . 14 мая 2008 г.
- ^ «Qatar Airways творит историю GTL» .
- ^ «А380 совершает испытательный полет на альтернативном топливе» . Рейтер . Февраль 2008 года.
- ^ «Инновационный инжиниринг в энергетических технологиях» . Бпп-Тех . Проверено 12 апреля 2014 г.
- ^ Хехт, Эндрю (6 января 2020 г.). «Сырая нефть против природного газа» . Баланс .
- ^ «Туркменский завод по переработке газа в жидкости отправил первый синтетический бензин в Афганистан» . Проверено 25 декабря 2019 г.
- ^ «Узбекистан взял кредит в $2,3 миллиарда на проект завода по производству жидкого газа» . Проверено 25 декабря 2019 г.
- ^ Qatar Airways летает на самолете с новым топливом, The Wall Street Journal, среда, 14 октября 2009 г., стр. B2.