«УДК 661.961 ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩЕЕ, ЭКОЛОГИЧЕСКИ ЧИСТОЕ ПОЛУЧЕНИЕ ВОДОРОДА ИЗ УГЛЕВОДОРОДНОГО СЫРЬЯ Д.Л. АСТАНОВСКИЙ, к.т.н., президент фирмы АСТАНОВСКИЙ, Традиционные технологии получения водорода ...»

ХИМИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ И ПРОДУКТЫ

УДК 661.961

ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩЕЕ,

ЭКОЛОГИЧЕСКИ ЧИСТОЕ

ПОЛУЧЕНИЕ ВОДОРОДА

ИЗ УГЛЕВОДОРОДНОГО СЫРЬЯ

Д.Л. АСТАНОВСКИЙ, к.т.н., президент фирмы

АСТАНОВСКИЙ, Традиционные технологии

получения водорода

Л.З. АСТАНОВСКИЙ, вице-президент фирмы

АСТАНОВСКИЙ,

методом паровой конверсии П.В. КУСТОВ, начальник конструкторского отдела КУСТОВ, природного газа ООО «ФАСТ ИНЖИНИРИНГ», (Россия, 117218, Москва, ул. НовочеремушкинОсновными стадиями получения ская 21-1-191). E-mail: femoscow@mail.ru водорода являются очистка приПредставлены традиционные технологии получения водорода паровой каталитической родного газа от соединений серы, конверсией природного газа с последующей конверсией оксида углерода и выделением паровая каталитическая конверсия водорода требуемой чистоты. Использование каталитических реакторов и теплообменприродного газа, паровая каталитиных аппаратов нового поколения – конструкции ФАСТ ИНЖИНИРИНГ® – для проведения паровой каталитической конверсии природного газа, паровой конверсии СО и тепло- ческая конверсия оксида углерода и обменных процессов позволяет значительно снизить капитальные вложения, энергопо- выделение водорода требуемой контребление при эксплуатации и практически исключить вредные выбросы в окружающую центрации из полученного водородсреду, а также создавать высокоэффективные производства водорода на требуемую содержащего газа.

производительность, в том числе минимальную. Стадия паровой каталитической Ключевые слова: нефтегазохимия, водород, паровая каталитическая конверсия углево- конверсии природного газа является дородов, каталитический реактор, катализатор, теплообменный аппарат. наиболее капиталоемкой и энергозатратной, она занимает более 70% всей стоимости производства водорода.

Поэтому совершенствование процесВведение са паровой конверсии природного газа является одним из Водород широко применяется во многих отраслях про- наиболее важных путей повышения эффективности произмышленности, в том числе для получения аммиака, метанола, водства водорода в целом.

Традиционно процесс паровой конверсии природного синтетических моторных топлив, в процессах гидрогенизационной обработки нефтяного сырья, энергетике, в электрохи- газа проводят в трубчатых печах или в шахтных реакторах на никелевом катализаторе при давлении 1,0–4,0 МПа и мических генераторах на топливных элементах и др.

Стоимость водорода оказывает существенное влияние температуре 700–1000 °С [2].

Процесс паровой конверсии природного газа проходит на экономические показатели процессов, связанных с его применением, поэтому снижение стоимости водорода по следующим основным реакциям:

приобретает первостепенное значение. Так, например, СH4 + H2O = CO + 3H2 – 206,41 кДж /моль, (I) удельный вес стоимости водорода в эксплуатационных заCO + H2O = CO2 + H2 + 41,03 кДж /моль. (II) тратах при гидрогенизационной обработке нефтяного сырья составляет 40–75%. [1]. Высокая стоимость водорода обусловлена большими капитальными вложениями в уста- Реакция окисления гомологов метана протекает аналоновки для его получения и эксплуатационными затратами, гично:

а также расходами, связанными с транспортировкой, храСnHm + Н2О = nСО + 0,5(2n + m)Н2 – Q. (III) нением и обеспечением безопасности, так как водород является одним из самых взрывоопасных и пожароопасных веществ. Равновесный состав получаемого конвертированного Более 90% водорода, производимого и используемого в газа зависит от температуры, давления и состава исходной химической промышленности, нефтепереработке и других парогазовой смеси.

отраслях промышленности, получают методом паровой и Процесс паровой конверсии оксида углерода проходит парокислородной конверсии природного газа на крупно- по реакции (II).

тоннажных установках мощностью от 6 до 50 тыс. т/год. Обеспечение оптимальных температурных условий проПри малых потребностях водород получают путем элек- ведения каталитических процессов по указанным выше ретролиза воды. Себестоимость водорода, получаемого с акциям является одной из важнейших задач.

помощью электролиза воды, в разы выше себестоимости В трубчатых печах подвод теплоты для проведения эндоводорода, получаемого конверсионным способом из при- термической реакции (I) осуществляется дымовыми газами родного газа. Однако использовать традиционно применя- через стенки реакционных труб за счет сжигания топлива емое оборудование для получения водорода методом па- в межтрубном пространстве печи, а в шахтных реакторах – ровой или парокислородной конверсии природного газа в за счет сжигания части углеводородного газа над каталиустановках малой единичной мощности труднореализуемо затором путем подачи в реактор кислорода.

и экономически не эффективно 3 • 2016 10 НефтеГазоХимия

ХИМИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ И ПРОДУКТЫ

НАШ САЙТ В ИНТЕРНЕТЕ: WWW.NEFTEGAZOHIMIYA.RU

процесса, тем глубже протекает реакция и тем меньше соТеплота дымовых газов и конвертированного газа после держание остаточного оксида углерода в конвертировантрубчатого реактора используется для подогрева технолоном газе. Увеличить степень конверсии можно также путем гических потоков (природного газа, воздуха и др.) и полуповышения соотношения пар/газ в реакционной смеси.

чения технологического водяного пара.

После удаления СО2 из полученного водородсодержаС целью повышения экономичности процесса реализован ряд схем, в которых процесс конверсии в трубчатом щего газа абсорбционным методом концентрация водореакторе осуществляется частично за счет теплоты газа рода составляет 93–97%. При необходимости получения после шахтного реактора [3, 4]. водорода концентрацией 99,9–99,999% для удаления из Трубчатые реакторы имеют ограничения по подводу те- водородсодержащего газа СО2 и других примесей приплоты в зону реакции, по давлению и температуре прове- меняют установки короткоцикловой адсорбции (КЦА). При дения процесса, по аэродинамическому сопротивлению этом значительно увеличиваются капитальные вложения зернистого слоя катализатора, по производительности, и эксплуатационные затраты, что приводит к увеличению особенно минимальной. стоимости водорода.

Проведение процесса конверсии в шахтных реакторах Существующие технологии получения водорода с примевызывает необходимость использования кислорода. В обо- нением трубчатых печей, шахтных реакторов, с использоваих случаях наблюдаются большие потери давления реак- нием кислорода и др. характеризуются большими капитальционной среды в слое катализатора, что вызывает необхо- ными вложениями и эксплуатационными затратами. Кроме димость использования катализаторов больших размеров того, установки, работающие по традиционным технологиям, и сложных геометрических форм [5] (рис. 1). сбрасывают в окружающую среду с отходящим дымовым гаОстаточное содержание метана в конвертированном зом большое количество вредных веществ (CO, NOX).

газе после трубчатого реактора при проведении процесПолучение водорода по технологии са конверсии под давлением 3,6 МПа составляет около

ФАСТ ИНЖИНИРИНГ®

10% об. при температуре выхода газа из реакционных труб 800–830 °С. Для обеспечения более глубокой конверсии Получение водорода по новой технологии основано на требуется или понижать давление, или повышать темпера- использовании каталитических реакторов [6, 7], теплообтуру процесса, или проводить и то и другое. При этом тем- менных [8, 9] и массообменных аппаратов [10], беспламенпература дымовых газов, выходящих из радиантной зоны ных горелок [11] и другого оборудования нового поколения, трубчатой печи, составляет примерно 1000 °С. а также на применении энергосберегающих технологий Остаточное содержание метана в конвертирован- получения синтез-газа, водорода, высокоэффективного ном газе после шахтного реактора составляет не более экологически чистого способа сжигания топлива и др., 0,3–0,4% об. за счет высокой температуры процесса кон- созданных ООО «ФАСТ ИНЖИНИРИНГ».

версии – примерно 980–1000 °С. При этом лобовой слой Использование каталитического реактора конструкции ФАСТ ИНЖИНИРИНГ® обеспечило проведение катакатализатора работает в экстремальных условиях, температура газа составляет до 1200–1300 °С.

литического процесса при оптимальных температурных Реакторы паровой каталитической конверсии природ- условиях во всем объеме катализатора, равномерное ного газа, как правило, представляют собой громоздкие, распределение реакционной среды по зернистому слою, тяжеловесные, дорогостоящие сооружения. возможность применения наиболее активного мелкозерПолученный конвертированный газ с содержанием СО нистого катализатора (рис. 2) [5] при сохранении низкого 10–12% об. далее подвергается паровой конверсии оксида гидравлического сопротивления зернистого слоя.

углерода. Этот процесс традиционно проводят в две сту- Каталитический реактор конструкции ФАСТ ИНЖИНИРИНГ® представляет собой цилиндрический корпус, с устапени. Первая ступень – на железохромовом катализаторе при температуре 400 °С, вторая ступень – на медьсодер- новленными вдоль оси аппарата спиралеобразными стенжащем катализаторе при температуре 200–220 °С. При ками, которые в сечении, перпендикулярном оси аппарата, проведении процесса двухступенчатой паровой конверсии имеют форму спирали Архимеда. При проведении каталиоксида углерода остаточное содержание оксида углерода тического процесса в адиабатическом режиме эти стенки составляет 0,2–0,5% об. При этом чем ниже температура выполняются сплошными (рис. 3), а при проведении про

–  –  –

топлива в горелку. Адиабатическая температура горения Рис. 12 поддерживается не выше 1000–1050 °С за счет подачи в Пилотная установка получения горелку воздуха, смешанного с частью отходящего дымосинтез-газа под давлением 6,4 МПа вого газа. Конвертированный газ после реактора паровой конверсии природного газа и утилизации теплоты проходит реактор паровой конверсии оксида углерода (рис. 9), в котором на мелкозернистом катализаторе (рис. 10) в изотермических условиях проводится паровая конверсия СО, и после охлаждения поступает в блок очистки от диоксида углерода, откуда водород концентрацией 95–97% направляется потребителю.

В состав установки получения водорода входят также блоки утилизации теплоты технологических и энергетических потоков, блоки водоподготовки и генерации технологического водяного пара, системы КИП и А, пульт управления и др. Технология получения водорода с использованием оборудования нового поколения позволяет создавать эффективные стационарные и мобильные установки на малую производительность (1–200 кг в час). При этом сырьем для производства водорода могут быть как углеводородные газы и вода, так и жидкие углеводороды и вода. Лучшим сырьем для мобильных установок получения водорода могут быть синтетические жидкие углеводороды, полученные из природного или попутного нефтяного газа [12].

При использовании в качестве сырья жидких углеводоООО «ФАСТ ИНЖИНИРИНГ» освоено рядом машинострородов в технологической схеме исключается компрессорительных заводов Российской Федерации.

ное оборудование.

Использование оборудования нового поколения позвоЗаключение ляет получить водород требуемого давления, исключив при этом необходимость его компримирования. Исследования, проведенные на созданных ООО «ФАСТ По сравнению с традиционными технологиями новая тех- ИНЖИНИРИНГ» пилотных установках получения синтезнология примерно в 2–3 раза сокращает удельные капи- газа методом паровой конверсии природного газа, эффектальные вложения (в зависимости от мощности установки), тивного сжигания топлива на беспламенных горелках и др., а также снижает удельное потребление природного газа показали высокую эффективность новой технологии пона получение 1 кг водорода примерно на 20–30%. лучения водорода, подтвердили работоспособность и наНа рис. 11, 12 представлены пилотные установки и на дежность применяемого оборудования нового поколения, рис. 13 – лабораторная установка получения синтез-газа а также эффективность использования отечественных методом паровой каталитической конверсии природного мелкозернистых катализаторов для отдельных технологигаза с использованием каталитических реакторов и тепло- ческих процессов.

обменных аппаратов новой конструкции, испытание кото- Использование инновационного оборудования для порых подтвердили правильность выбранной концепции. лучения водорода позволило значительно снизить капиКаталитические реакторы и теплообменные аппараты тальные вложения, эксплуатационные затраты и сократить нового поколения успешно эксплуатируются в различ- вредные выбросы в окружающую среду.

ных отраслях промышленности как в России, так и за Преимущества новой технологии производства водорорубежом. Производство каталитических реакторов и те- да методом паровой конверсии природного газа или другоплообменных аппаратов нового поколения по лицензии го углеводородного сырья:

–  –  –

ENERGY SAVING, ENVIRONMENTALLY FRIENDLY HYDROGEN PRODUCTION

OF HYDROCARBONS

Astanovsky D.L., Cand. Sci. (Tech.), President Astanovsky L.Z., Vice President Kustov P.V., Head of Design Department FAST ENGINEERING Ltd., (Novocheremushkinskaya 21-1-191, Moscow, 117218, Russia). E-mail: femoscow@mail.ru

ABSTRACT

Traditional processes for hydrogen production by steam catalytic natural gas conversion with the follow shift conversion and evolution of hydrogen of required purity are presented. The using of catalytic reactors and heat exchanger apparatuses of a new generation – FAST ENGINEERING® design – for carry out steam catalytic natural gas conversion, shift conversion and heat exchanger processes allows to reduce much capital investment, energy consumption under operation and practically to exclude polluting emissions to environment as well as to create hydrogen production units for required capacity including small ones.

Keywords: oil and gas chemistry, hydrogen, steam catalytic hydrocarbon conversion, catalytic reactor, catalyst, heat exchanger apparatus.

–  –  –