«СИНТОП-1» и «СИНТОП-300»

Комплекс научно-исследовательских работ, выполненных в Экспериментальном комплексе “Новые энергетические технологии” ИВТ РАН на малой установке “Синтоп- 1”. на которой был реализован процесс парциального окисления природ­ного газа с получением забалластированного азотом синтез-газа с последующей его переработкой

в метанол и бензин, позволил создать необходимую научно-техническую базу для создания крупномасштабной комплексной установки “Синтоп- 300”. Производительность “Синтоп- 1” по синтез-газу равнялась 24 м3/час, производительность “Синтоп- 300” почти на порядок выше.

Важную роль сыграло создание в ИВТ РАН и последующая экспериментальная проверка кинетической математической модели конверсии метана в цилиндре ХРС, которая позволяет моделировать процесс в любом конкретном дизеле при различных входных параметрах и составах рабочей смеси, различных фазах газораспределения и других специфических параметрах, выдавая при любом положении коленчатого вала данные по температуре, давлению, составу синтез-газа, мощности и др.

Основной задачей при создании “Синтоп- 300” было определение влияния мас­штабных факторов на работу всех элементов комплексной установки. В качестве базового агрегата для создания ХРС был выбран недорогой дизельный двигатель Д-245 Минского моторного завода. В процессе подготовки с него был демонтирован ряд не используемых элементов: топливный насос, топливные форсунки, муфта сцепления, генератор, топливные фильтры, радиатор и др. Был спроектирован и заменен распределительный вал, который обеспечивает новые фазы газораспре­деления. Штатный блок турбонаддува был демонтирован и взамен него установлен шестереночный компрессор 22ВФ-2,5/1,5СМ2У3. Регулирование температуры подогрева воздуха на входе в ХРС осуществляется с помощью электроподогревателя с автоматическим управлением.

Для контроля параметров во время проведения экспериментов были установлены необходимые термопары, датчики расхода, состава газа и давлений. Данные обо всех измеряемых параметрах через контроллеры вводятся в компьютер, производится их обработка, и результаты выдаются на монитор в виде таблиц и графиков, по которым ведется оперативное управление и формируется база данных.


На валу дизеля установлен обратимый асинхронный мотор-генератор, который при запуске выполняет роль стартера, а при подаче газа вырабатывает электро­энергию. Этот вариант с асинхронным генератором не является оптимальным, так как в обоих режимах потребляется реактивная мощность, и продиктован он только соображениями простоты и дешевизны. На промышленной установке предпочтение должно быть отдано синхронному генератору с пусковой обмоткой. На рис. 2 представлена принципиальная схема созданной установки “Синтоп- 300”.

Установка оснащена целым комплексом дополнительных устройств, которые позволяют работать с различными способами воспламенения смеси. Это дает возможность на одном дизеле опробовать самые различные способы воспламенения топливного заряда и ведения режима производства синтез-газа, оптимизации его состава, выработки электри­ческой мощности, снижения сажеобразования. Этим же целям служит созданная бесконтактная система контроля процесса горения в каждом цилиндре, прибор для непрерывного измерения концентрации сажевых частиц и ряд других.

Конечной целью проведенных экспериментов являлся выбор наиболее простых, доступных и дешевых способов управления процессом парциального окисления углеводородных газов в многоцилиндровом промышленном дизеле с минимальными переделками для превращения его в ХРС.

Эта задача была решена, и сейчас генератор устойчиво выдает синтез-газ следующего состава: Н2 – 22–23%; СО – 12–14%; СО2 – 1,5–2,2%; СН4 – 1,5–1,7%; О2 < 0,5%, остальное – азот.

Состав забалластированного азотом синтез-газа существенно улучшается при повышении содержания кислорода в окислителе, причем при концентрации О2 31–33%, что сегодня легко достижимо с помощью полимерных мембран, концен­трация водорода достигает 33–34%, улучшается соотношение Н2/СО, снижается проскок метана и кислорода.

Рис. 2. Схема генератора синтез-газа.

1, 4, 10 – фильтры, 2 – теплообменник, 3 – охладитель воздушный, 5 – охладитель водяной,
6 – влагоуловитель, 7 – мотор-генератор, 8 – модифицированный дизель, 9 – компрессор.

Пуск установки из холодного состояния занимает 10–15 минут, и основное время занимает разогрев двигателя, масла и окислителя. На рис. 3 приведена диаграмма изменения вырабатываемой электрической мощности и состава газа при пуске ХРС.

Рис. 3. Диаграмма параметров пуска ХРС.

Поддержание установленного режима работы ХРС сводится к регулированию одного-двух параметров и может быть автоматизировано с применением доступных недорогих средств. Достигается это благодаря сохранению на всех режимах постоянных оборотов дизеля, определяемых частотой сети.

Концепция технологии дальнейшей конверсии полученного синтез-газа в мета­нол и бензин вырабатывалась совместно с ЗАО “Новые каталитические технологии” Института органической химии РАН. Спецификой данной технологии является использование забалластированного азотом синтез-газа для наиболее простого и дешевого способа получения метанола как целевого или промежуточного продукта для дальнейшей переработки его в высокооктановый бензин или диметиловый эфир.

Вкратце, дальнейший путь синтез-газа, полученного в ХРС, выглядит следующим образом: высокотемпературная очистка от сажи, охлаждение, компримирование до 4–5 МПа, очистка от следов компрессорного масла и поступление в три последо­вательно соединенных кожухотрубных реактора, охлаждаемых кипящей водой. В качестве катализатора используется промышленный метанольный катализатор отечественного или зарубежного производства. Предпочтительнее использовать высокопроизводительные зарубежные катализаторы с длительным сроком службы без регенерации (4–5 лет). Это позволяет на крупнотоннажных производствах при одной и той же производительности уменьшить в 2–3 раза объем реактора по сравнению с реакторами с традиционно применяемыми катализаторами. На рис. 4 представлена принципиальная схема химико-технологической части установки “Синтоп- 300”.

Рис. 4. Схема химико-технологической части по производству метанола.

1, 2, 3 – реакторы метанольные, 4 – реактор кислородный, 5, 6, 7 – холодильники,
8, 9, 10 – сепараторы, 11 – бак метанола.

При использовании забалластированного азотом синтез-газа удается решить проблему уменьшения количества снимаемого тепла за счет снижения концентрации водорода и оксида углерода. Использование азота в качестве теплоносителя способствует интенсификации теплоотдачи от слоя катализатора к стенкам. Все эти факторы дают возможность при однопроходном синтезе метанола получить высокую степень конверсии и селективности и позволяют без ректификации прямо на выходе реакторов получать 96–98% МеОН с незначительными примесями высших спиртов и ДМЭ, остальное – вода.

Если метанол не используется как целевой продукт, то с помощью насоса-дозатора он подается в трехступенчатый блок реакторов полочного типа с цеолитовым катали­затором для переработки в высокооктановый бензин. Из 1 кг метана получается 1,05 кг метанола, из которого при дальнейшей переработке производится 400 г бензиновой фракции с высоким октановым числом, что позволяет использовать ее либо в качестве моторного топлива, либо применять для компаундирования низкооктановых бензинов и газового конденсата. При этом при получении синтез-газа вырабатывается электроэнергия, уровень мощности составляет 50–60% от номинальной мощности используемого дизельного агрегата.

В случае двухстадийного процесса производства ДМЭ из 1 кг метанола получа­ется 650 г диметилового эфира, который является экологически чистым дизельным топливом.

Необходимо добавить, что после проведения шифтконверсии синтез-газа в реакции Н2О + СО ? Н2 + СО2 ХРС может успешно применяться для производства водорода из углеводородных газов. Мембранные технологии выделения Н2 позволяют осуществить этот процесс без особых технических трудностей. Произво­дительность таких установок может достигать до 5 тыс. нм3/час в одном агрегате. При этом себестоимость получаемого таким способом водорода в несколько раз ниже получаемого традиционными способами с учетом эффективности процесса и дополнительной выработки электроэнергии, которая может быть использована либо для компримирования полученного водорода, либо получения его дополнительного количества электролитическим способом.

Сайт создан в системе uCoz

Рекомендуем ознакомится: http://energosintop.narod.ru