УгольБиомасса и биогаз Природный газ Газификация Конверсия Конверсия: паровая и углекислотная Окисление: традиционное и в химических реакторах на базе. - презентация

1 УгольБиомасса и биогаз Природный газ Газификация Конверсия Конверсия: паровая и углекислотная Окисление: традиционное и в химических реакторах на базе энергетических установок (ракетные технологии, дизельный и газовый двигатели) Синтез-газ Диметиловый эфир Моторное топливо Метанол Водород Моторное топливо на базе ненефтяного сырья

2 Синтез метанола и моторных топлив (через метанол) из синтез-газа СО 2 + 3Н 2 = СН 3 ОН + Н 2 О (1) СО + Н 2 О = СО 2 + Н 2 (2) Итого: СО + 2Н 2 = СН 3 ОН ( атм, о С) Мировые мощности ~30 млн т, РФ ~2 млн т Термодинамика реакции (1) неблагоприятна, поэтому синтез ведут при многократной (не менее 6) циркуляции синтез-газа (с отбором метанола) с большими затратами электроэнергии. Метанол перерабатывают в моторное топливо в результате цепи превращений: СН 3 ОН СН 3 ОСН 3 (ДМЭ) этилен бензин Все реакции протекают в одном реакторе на цеолитных катализаторах Производство бензина через метанол не рентабельно. Получаемый бензин дороже нефтяного.

3 Синтез диметилового эфира (ДМЭ) из синтез-газа В реакторе синтеза ДМЭ протекают следующие реакции: Синтез метанола: СО 2 + 3Н 2 = СН 3 ОН + Н 2 О(1) Синтез диметилового эфира: 2 СН 3 ОН = СН 3 ОСН 3 + Н 2 О (2) Реакция водяного газа: СО + Н 2 О = СО 2 + Н 2 (3) Реакции (2) и (3) «помогают» синтезу метанола, превращая продукты реакции (1) и сдвигая равновесие. Реакция (3) «регулирует» соотношение СО 2 /Н 2 О в продуктах в зависимости от СО/Н 2 в исходном газе. В зависимости от СО/Н 2 в исходном газе итоговое уравнение суммарной реакции имеет вид: 3СО + 3Н 2 = СН 3 ОСН 3 + СО 2 при малых СО/Н 2 (~1) 2СО + 4Н 2 = СН 3 ОСН 3 + Н 2 О при больших СО/Н 2 (>3)

4 Сравнительная характеристика процессов синтеза метанола и синтеза ДМЭ Реакция Р, атм Производи- тельность, т/(т.ч) Конверсия «за проход», % Синтез метанола (фирма ICI ) 800, Синтез ДМЭ1000,8-1,

5 Некоторые свойства ДМЭ Молекулярная масса46,07 Температура плавления, о С-138,5 Температура кипения, о С-24,9 Критическая температура, о С127 Критическое давление, бар53,7 Давление пара, бар: при 20 о С,5,1 при 38 о С8 Теплота парообразования (при -20 о С), кДж/кг 410

6 Выхлоп ДМЭ и нормы токсичности отработанных газов (ЕЭК ООН) (по данным Haldor Topsoe A/S, 2001 г.) EURO-3 (г/кВт-ч) EURO-4 (г/кВт-ч) Выхлоп ДМЭ (г/кВт-ч) Дата введения NOx 5,03,52,99 HC0,660,460,12 CO2,11,50,25 Твердые частицы 0,100,08

7 Некоторые свойства ДМЭ, пропана и бутана СвойстваДМЭПропанБутан Точка кипения, o С-24,9-42,1-0,5 Упругость пара (20 о С), бар 5,1 8,42,1 Вязкость жидкости, сантипуаз0,150,100,18 Плотность жидкости (20 о С), кг/м Относительная плотность (по воздуху) 1,591,522,01 Растворимость в воде, г/л700,120,39 Теплотворная способность, МДж/кг 28,4346,3645,74 Пределы взрываемости в воздухе, объем. % 3,4-172,1-9,41,9-8,4 Температура самовоспламенения, о С

8 Некоторые свойства дизельного и альтернативных топлив СвойствоДМЭДТМетанолЭтанолМетан Теплотворная способность, МДж/кг 28,842,519,525,050,0 Плотность, кг/см 3 0,660,840,790,81- Цетановое число Температура самовоспламе- нения, о С Соотношение воздух \ топливо9,014,66,59,017,2 Точка кипения, о С Теплота испарения, кДж/кг (20 о С) Пределы взрываемости (% в воздухе) 3,4 -180,6-6,55,5-263,

9 Характеристики бензина, полученного из синтез-газа (через ДМЭ) октановое число (исследовательский метод) >92 изопарафины (масс. %) 62 ароматические углеводороды (масс. %) 23 нафтеновые углеводороды (масс. %) 8 н-парафины (масс. %) 6,5 олефины (масс. %)

10 Пересмотр стадийной схемы переработки природного газа в моторные топлива Природный синтез-газ (метанол) ДМЭ углеводороды газ Природный газ синтез-газ метанол (ДМЭ) углеводороды Новая схема (разработан катализатор и процесс) В результате двойной выигрыш: стадия: чем стадия: стадия: синтез-газ ДМЭ - эффективнее и экономичнее, чем стадия: синтез-газ метанол; стадия: чем стадия: стадия: ДМЭ углеводороды - проще и эффективнее, чем стадия: метанол углеводороды Традиционная схема

11 Генератор синтез - газа

12 Получение синтез-газа при горении метано-воздушных смесей Принципиальная схема химического реактора на базе ракетных технологий

13 Реактор получения синтез-газа (на базе ракетных технологий) ПНТЦ Опытно- промышле нная установка получения бензина из природного газа

14 Реактор получения синтез-газа (Выход на блок каталитического синтеза ДМЭ)

15 Компоненты цен СНГ Компоненты цены Максимально низкие издержки за 1000 м 3 % Максимально высокие издержки за 1000 м 3 % Добыча газа 8,838,521,198,7 Сжижение46,6245,560,7524,9 Транспортировка31,4330,5131,3753,8 Регазификация15,8915,530,7212,6 Итого102,77100,00244,03100,00 По данным журнала «Нефть России», 2003, 8

16 Производство GTL. Удельные капитальные затраты Удельные капитало- вложения, $ US / т Действующие производства Модернизируемы е действующие производства Проектируемые производства Желательный уровень Зависимость удельных капиталовложений от мощности GTL завода Мощность, тыс.т / год Удельные капвложения, $ US / т ЦЭМИ РАН, О.Б. Брагинский

17 Цены синтетического топлива в районе потребления (расчеты компании Chem. System, США) Регион Технологии, $ US / барр. Conoco Exxon Mobil RentechSasolShellSyntroleum США Западная Европа Япония Экономика производства диметилового эфира (ДМЭ) ПродуктыМощность, тыс.т / годУдельные капзатраты, $ US / т Метанол ДМЭ сырой ДМЭ очищенный ДМЭ сырой ДМЭ очищенный ЦЭМИ РАН, О.Б. Брагинский

18 Токообразующие процессы на катоде и аноде топливного элемента (ТЭ) с твердым мембранным полимерным электролитом ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ТЭ Cвободная энергия реакции окисления топлива: G = H – T S преобразуется в электродвижущую силу: E = -G/(nF) ДОСТОИНСТВА 1.наиболее высокий КПД (>0.95) преобразования энергии из-за отсутствия потерь тепла и механической энергии. 2. высокая экологическая чистота. ПРОСТЕЙШАЯ СХЕМА ТЭ катализатор

19 Прямое электроокисление водорода катализаторы

20 Прямое электроокисление синтетического жидкого топлива катализаторы

21 Проблемы топливных элементов 1.Новые виды топлив (водород, водородный газ, метанол,этанол, этиленгликоль,глицерин и т.п.). 2.Новые материалы для мембранных полимерных электролитов. 3.Новые эффективные катализаторы. Замена платины. Решение этих проблем позволит на основе эффективного использования собственных ресурсов создать экологически чистые, с высоким КПД: распределенное производство электроэнергии на топливных элементах мощностью от 100 Вт до 200 кВт транспорт портативные источники для электронных устройств

22 Зависимости активности катализатора RuNi, нанесенного на саже (15 мас.%), от количественного соотношения Ru и Ni при различных потенциалах V и мольных соотношениях k=КOH/CH3OH в прямом окислении метанола

23