Введение
Преобразование природного газа в жидкие нефтепродукты
Технология Gas to Liquids (GTL) – это процесс переработки природного газа или других газообразных углеводородов в углеводороды с более длинной цепью, такие как бензин или дизельное топливо. Газы, богатые метаном, преобразуются в жидкое синтетическое топливо. Существуют две основные стратегии: (i) прямое частичное сжигание метана с образованием метанола и (ii) процессы, аналогичные процессу Фишера-Тропша, которые преобразуют монооксид углерода и водород в углеводороды. В рамках стратегии ii используются различные методы для превращения смесей монооксида углерода и водорода в жидкие продукты. Прямое частичное сжигание было продемонстрировано в природе, но не воспроизведено в промышленных масштабах. Технологии, основанные на частичном сжигании, получили коммерческое распространение преимущественно в регионах с недорогим природным газом. Основной целью GTL является производство жидкого топлива, которое легче транспортировать, чем метан. Для сжижения метана под давлением его необходимо охладить ниже критической температуры 82,3 °C. В связи с необходимостью использования криогенного оборудования для транспортировки применяются танкеры СПГ. Метанол – это удобная в обращении горючая жидкость, однако его энергетическая плотность вдвое ниже, чем у бензина.
Gas to liquids (GTL) is a refinery process to convert natural gas or other gaseous hydrocarbons into longer chain hydrocarbons, such as gasoline or diesel fuel. Methane rich gases are converted into liquid synthetic fuels. Two general strategies exist: (i) direct partial combustion of methane to methanol and (ii) Fischer–Tropsch like processes that convert carbon monoxide and hydrogen into hydrocarbons. Strategy ii is followed by diverse methods to convert the hydrogen carbon monoxide mixtures to liquids. Direct partial combustion has been demonstrated in nature but not replicated commercially. Technologies reliant on partial combustion have been commercialized mainly in regions where natural gas is inexpensive. The motivation for GTL is to produce liquid fuels, which are more readily transported than methane. Methane must be cooled below its critical temperature of 82.3 °C in order to be liquified under pressure. Because of the associated cryogenic apparatus, LNG tankers are used for transport. Methanol is a conveniently handled combustible liquid, but its energy density is half of that of gasoline.
Процесс Фишера-Тропша
Процесс GtL может быть реализован посредством процесса Фишера-Тропша, который включает в себя ряд химических реакций, преобразующих смесь монооксида углерода (CO) и водорода (H2) в углеводороды с длинной цепью. Эти углеводороды обычно находятся в жидком или полужидком состоянии и в идеале соответствуют формуле (CnH2n+2). Для получения смеси CO и H2, необходимой для процесса Фишера-Тропша, метан (основной компонент природного газа) может подвергаться частичному окислению, в результате чего образуется сырой синтез-газ, состоящий преимущественно из углекислого газа, монооксида углерода, газообразного водорода (и иногда воды и азота). Соотношение монооксида углерода к водороду в сыром синтез-газе может быть скорректировано, например, с использованием реакции конверсии водяного газа. Удаление примесей, в частности азота, углекислого газа и воды, из сырого синтез-газа приводит к получению чистого синтез-газа (сингаза). Чистый сингаз направляется в процесс Фишера-Тропша, где он реагирует в присутствии железного или кобальтового катализатора с образованием синтетических углеводородов, включая спирты.
Сингазовый газ в бензин плюс процесс (STG+)
Третий процесс превращения газа в жидкость основан на технологии MTG путем преобразования синтетического газа, полученного из природного газа, в бензин и реактивное топливо с помощью термохимического одноциклического процесса. Процесс STG+ состоит из четырех основных этапов в одном непрерывном цикле процесса. Этот процесс состоит из четырёх реакторов с фиксированным блоком, в которых синтетический газ преобразуется в синтетическое топливо. Шаги для производства высокооктанового синтетического бензина следующие: синтез метанола: сингаз подается в реактор 1, первый из четырех реакторов, который преобразует большую часть сингаза (СО и ∙ H2) в метанол (∙ CH3OH) при прохождении через катализаторное поле. Синтез диметилэфира (DME): богатый метанолом газ из реактора 1 затем подается в реактор 2, второй реактор STG+. Метанол подвергается воздействию катализатора, и большая его часть превращается в DME, что включает в себя обезвоживание из метанола в DME (gęsiąCH3OCH3). Синтез бензина: Газ, полученный в реакторе 2, затем подается в реактор 3, третий реактор, содержащий катализатор для преобразования DME в углеводороды, включая парафины (алканы), ароматические вещества, нафтени (циклоалканы) и небольшое количество олефинов (алкены), в основном от C6 (число атомов углерода в молекуле углеводорода) до C10. Обработка бензином: четвертый реактор обеспечивает трансалкилирование и гидрогенизацию продуктов, поступающих из реактора 3. Обработка сокращает дюрен (тетраметилбензол) /изодурен и триметилбензол компоненты, которые имеют высокие точки замерзания и должны быть сведены к минимуму в бензине. В результате синтетический бензин имеет высокий октановый уровень и желательные вискометрические свойства. Сепаратор: Наконец, смесь из реактора 4 конденсируется для получения бензина. Неконденсированный газ и бензин отделяются в обычном конденсаторе/сепараторе. Большая часть неконденсированного газа из сепаратора продуктов становится переработанным газом и возвращается в приток питания в реактор 1, оставляя синтетический бензиновый продукт, состоящий из парафинов, ароматических веществ и нафтенов.
Methanol Synthesis: Syngas is fed to Reactor 1, the first of four reactors, which converts most of the syngas (CO and |H2) to methanol (|CH3OH) when passing through the catalyst bed. Dimethyl Ether (DME) Synthesis: The methanol rich gas from Reactor 1 is next fed to Reactor 2, the second STG+ reactor. The methanol is exposed to a catalyst and much of it is converted to DME, which involves a dehydration from methanol to form DME (|CH3OCH3). Gasoline synthesis: The Reactor 2 product gas is next fed to Reactor 3, the third reactor containing the catalyst for conversion of DME to hydrocarbons including paraffins (alkanes), aromatics, naphthenes (cycloalkanes) and small amounts of olefins (alkenes), mostly from |C6 (number of carbon atoms in the hydrocarbon molecule) to |C10. Gasoline Treatment: The fourth reactor provides transalkylation and hydrogenation treatment to the products coming from Reactor 3. The treatment reduces durene (tetramethylbenzene)/isodurene and trimethylbenzene components that have high freezing points and must be minimized in gasoline. As a result, the synthetic gasoline product has high octane and desirable viscometric properties. Separator: Finally, the mixture from Reactor 4 is condensed to obtain gasoline. The non condensed gas and gasoline are separated in a conventional condenser/separator. Most of the non condensed gas from the product separator becomes recycled gas and is sent back to the feed stream to Reactor 1, leaving the synthetic gasoline product composed of paraffins, aromatics and naphthenes.
Коммерческое использование
Используя процессы превращения газа в жидкость, нефтеперерабатывающие заводы могут преобразовывать некоторые из своих газообразных отходов (газы от пламени) в ценные мазуты, которые могут продаваться как таковые или смешиваться только с дизельным топливом. По оценкам Всемирного банка, ежегодно сжигается или выделяется более 30 600 000 000 долларов США природного газа, что эквивалентно 25% потребления газа в Соединенных Штатах или 30% годового потребления газа в Европейском союзе, ресурс, который может быть полезен при использовании GTL. Процессы перехода газа в жидкости также могут использоваться для экономической добычи газовых месторождений в местах, где строительство трубопровода не является экономически выгодным. Этот процесс будет приобретать все большее значение по мере истощения запасов сырой нефти. Royal Dutch Shell производит дизельное топливо из природного газа на заводе в Бинтулу, Малайзия. Еще один завод Shell по производству GTL - завод Pearl GTL в Катаре, крупнейший в мире завод по производству GTL. Компания Sasol недавно построила завод Oryx GTL в промышленном городе Рас-Лаффан, Катар, а также совместно с "Узбекнефтегазом" и "Петронасом" строит завод Uzbekistan GTL. Chevron Corporation, в совместном предприятии с Нигерийской национальной нефтяной корпорацией, вводит в эксплуатацию Escravos GTL в Нигерии, которая использует технологию Sasol. PetroSA, национальная нефтяная компания Южной Африки, владеет и управляет заводом GTL мощностью 22 000 баррелей в день в заливе Моссел, используя технологию Sasol GTL.
Стремление к успеху и новые предприятия
Для преобразования нетрадиционного, удаленного и проблемного газа в ценное жидкое топливо разрабатывается технология GTL нового поколения. Компания INFRA Technology построила заводы GTL, основанные на инновационных катализаторах Фишера-Тропша. Среди других компаний, преимущественно американских, – Velocys, ENVIA Energy, Waste Management, NRG Energy, ThyssenKrupp Industrial Solutions, Liberty GTL, Petrobras, Greenway Innovative Energy, Primus Green Energy, Compact GTL и Petronas. Эффективность некоторых из этих процессов была подтверждена демонстрационными полетами с использованием произведенного ими авиационного топлива. Еще одним предлагаемым решением для использования изолированного газа является применение новых плавучих установок для хранения и переработки нефти (FPSO) для морской переработки газа в жидкие продукты, такие как метанол, дизельное топливо, бензин, синтетическая нефть и нафта.
Экономика ГТЛ
GTL с использованием природного газа становится более экономичным при существенной разнице между текущей ценой на природный газ и ценой на сырую нефть в пересчете на баррель нефтяного эквивалента (BOE). Коэффициент 0,1724 обеспечивает полную паритетность с нефтью. GTL является механизмом для снижения международных цен на дизельное топливо, бензин и сырую нефть до уровня цены на природный газ, при увеличении глобального производства природного газа по цене, более низкой, чем цена на сырую нефть. При переработке природного газа в GTL, жидкие продукты легче и дешевле экспортировать, чем при переработке в СПГ с последующим преобразованием в жидкие продукты в стране-импортере. Однако производство топлива GTL значительно дороже, чем производство традиционного топлива.