Добыча природного газа в России в 2007 году составила 649 млрд. м3, эта цифра из года в год продолжает расти [1].
Анализ данных свидетельствует также о масштабной газификации. Это относится как к регионам, так и к отраслям народного хозяйства, в том числе черной и цветной металлургии, машиностроительной промышленности, теплоэнергетике, жилищно-коммунальному хозяйству. Наиболее газопотребляющими объектами являются тепловые электростанции, черная и цветная металлургия. В настоящее время доля природного газа в объеме топливо-потребления России составляет 55%, в европейской части страны – 80%.Россия использует четырехуровневую систему ценообразования на природный газ: два уровня для внутренних цен, по одному для бывших советских стран и один для европейских потребителей. Россия уже давно ограничила внутренние цены на природный газ. Эта практика осталась еще с советских времен. В настоящее время в России газ стоит от 75 до 97 долларов за тысячу кубических метров.
Энергосбережение природного газа в России на сегодняшний день является чрезвычайно актуальной проблемой. В 2010 году дефицит природного газа на внутреннем рынке составил почти 40, в связи с этим правительство начало утверждать газовый баланс.[2]
Планируемый дефицит природного газа на внутреннем рынке РФ должен покрываться за счет использования угля и внедрения технологий энергосбережения. Следует отметить, что для ТЭС (ТЭЦ) при работе на угле требуется отчуждение площади земли в 1.6 раза больше, инвестиции в строительство, эксплуатационные расходы и цены на тепловую и электрическую энергию как минимум в 2 раза выше.
В настоящее время для производства 1т продукции чёрной металлургии (ЧМ) требуется около 350 природного газа, что составляет до 30% энергоёмкости металлургической продукции. Эффективность применения природного газа определяется полнотой использования его многокомпонентного потенциала: теплоты, и температуры горения, конверсионных, восстановительных и регенеративных возможностей. Выходом из ситуации представляется активное проведение энергосберегающей политики. Наиболее быстро возрастают объемы потребления газового топлива, преимуществами которого являются высокие энергетические характеристики, доступность и экологическая чистота.
Согласно статье [3], эффективность применения природного газа определяется полнотой использования его многокомпонентного потенциала. Данное положение определяется как крупномасштабным резервом экономии природного газа в действующем теплотехническом комплексе чёрной металлургии, так и назревшей острой необходимостью технологического, энергетического и экологического прогрессов.
Термическая регенерация теплоты газовых отходов на основе подогрева дутьевого воздуха широко используется в промышленности. Вместе с тем представляет интерес как энергосберегающее мероприятие термохимическая регенерация теплоты газовых отходов, основанная на эндотермической переработке природного газа в синтез-газ – вторичное топливо. Термохимическая регенерация теплоты может обеспечить высокую степень регенерации, так как в этом случае тепловой отход используется на повышение не только физической, но химически связанной теплоты регенерирующих теплоносителей. Термохимическая регенерация в ряде случаев способна дать существенно больший энергосберегающий эффект.
Помимо общих потребностей энергосбережения, природный газ необходимо экономить еще и потому, что он поставляется монопольным объединением, которое также монопольно устанавливает и цены на него. Если в отношении электроэнергии в принципе возможна собственная генерация электроэнергии на предприятии, то в отношении природного газа собственная генерация его исключена.
Для большого числа огнетехнических установок представляет интерес утилизация теплоты высокотемпературных отходящих дымовых газов за счет термохимической регенерации (ТХР) [3].
Сущность ТХР тепла отходящих дымовых газов, заключается в использовании их физического тепла для предварительной эндотермической переработки исходного топлива, которое при этом получает больший запас химически связанного тепла. Процесс сопровождается реакциями парового и углекислотного риформинга метана, а также реакцией водяного газа.
СН4 + Н2О = СО + 3Н2 – 206300 кДж/кмоль;
СН4 + CO2 = 2СО + 2Н2 – 247600 кДж/кмоль;
СО + Н2О = CO2 + Н2 – 41100 кДж/кмоль.
В общем виде протекающие в реакторе реакции описываются уравнением
СН4 + k(CO2 + 2Н2О + 7,52N2)=αСО + βН2 + γN2 + εCH4 – (1-ε)220300 кДж/кмоль.
При условии полного окисления метана и стехиометрического расхода дымовых газов коэффициенты перед соответствующими компонентами реакции запишутся в виде k=1/3; α=4/3; β=8/3; γ=2,51; ε=0.
За счет использования термохимической регенерации теплоты предполагается увеличение КПД промышленных огнетехнических установок до 90-95%. Необходимым условием осуществимости процесса ТХР – температура отходящих дымовых газов должна быть не менее 700-800 °С. Продукты риформинга природного газа содержат горючие компоненты (СО, Н2, СН4), которые могут быть использованы как энергетическое топливо этой ОТУ, снижая при этом потребление исходного топлива. Кроме того, горючие компоненты могут быть использованы в химической технологии для производства аммония, метанола и других веществ органического синтеза, а также водорода.
Химическая регенерация позволяет достигать практически полной регенерации теплоты отходящих дымовых газов. Химическая регенерация рассматривается на примере паровой конверсии природного газа, основным углеводородом которого является: CH4:
СН4 + H2O = СО + 3Н2 (идеальная реакция)
Были произведены исследования идеальной реакции паровой конверсии по пятикомпонентной системе, которые показали что реальная реакция выглядит:
СН4 + H2O = 0,81СО + 2,652Н2+0,055CO2+0,079H2O+0,134CH4 (реальная реакция). Эндотермический эффект этой реакции составляет:
ΔH=10617 кДж/м3
Как видно из реакции, при ТХР в реакторе паровой конверсии образуется не только СО и Н2, но и CO2, H2O, CH4.
Эффект термохимической регенерации природного газа может достигать до 25%.
Углекислотная конверсия метана в синтез-газ CO + H2 – одна из важнейших химических реакций, пригодная для промышленного получения водорода и дающая начало синтезу углеводородов и других технически ценных продуктов.
Реакция углекислотной конверсии имеет следующий вид:
CH4 + CO2 = 2CO + 2H2 — 247 кДж/моль
В углекислотной конверсии метана при 700 – 800 °С на многих никелевых и платиновых катализаторах достигается равновесная конверсия в синтез-газ. В работе [4] очень подробно описаны свойства катализаторов, которые используются в комплексе с углекислотной конверсией метана, а также рассмотрена кинетика углекислотной конверсии метана.
В настоящее время синтез-газ играет ключевую роль не только в производстве компонентов моторных топлив (синтез Фишера-Тропша), но, прежде всего, в процессах органического синтеза, с целью получения метанола, диметилового эфира, бутиловых спиртов, формальдегида и многих других ценных продуктов.
Процесс углекислотной конверсии метана позволяет получать синтез-газ с более низким отношением H2/CO, в интервале с 2:1 до 1:1. В настоящее время для многих технологий требуется такое низкое отношение H2/CO. Например, это отношение предпочтительно для производства углеводородов по методу Фишера-Тропша, для гидроформилирования, получения метанола и многих других органических соединений, что избавляет от необходимости регулировать отношение H2/CO посредством реакции конверсии водяного газа. Углекислотная конверсия метана позволяет также вовлекать в синтез диоксид углерода, запасы которого огромны, а масштабы использования в промышленности невелики. Кроме того он является парниковым газом. Поэтому расширение числа синтезов на основе CO2 – перспективное направление развития газохимии.
Все вышеперечисленное указывает на то, что процесс углекислотной конверсии метана имеет большую потенциальную экономическую выгоду и экологическое преимущество. Но главное препятствие промышленному использованию углекислотной конверсии состоит в том, что в настоящее время почти нет селективных катализаторов, которые могут работать, не подвергаясь дезактивации из-за коксообразования.
В работе [5] установлены закономерности процесса углекислотной конверсии метана в присутствии Ni-Co, Ni-ZrO2, Ni-Fe катализаторов на носителях Al2O3 и SiO2. Впервые использована температурная поправка на неравномерность для оценки катализаторов, показано, что с ее помощью можно судить о скорости протекания реакции. Достигнуто значительное снижение коксообразования путем введения добавок кобальта и железа в Ni-катализатор на носителях Al2O3 и SiO2.
Полученные результаты подтверждают перспективность разработки промышленных процессов получения синтез-газа углекислотной конверсией метана.
Как уже отмечалось выше, синтез-газ служит исходным сырьем для производства многих химических и нефтехимических продуктов, а также используется для восстановления железной руды.
При углекислотной конверсии состав продуктов на выходе из риформера обычно очень близок к равновесному и может быть предсказан, исходя из следующих параметров: температуры на выходе из установки; мольных соотношений CO2/углерод и давления. Другой важный технологический аспект связан с протеканием побочных реакций образования углерода. Коксообразование первоначально дезактивирует катализатор, затем вызывает разрушение его гранул, что в свою очередь приводит к частичной или полной блокировке реакционного потока в слое катализатора, который заполняет трубное пространство. В результате возникают участки локального перегрева.
Установка риформинга обычно включает от 40 до 400 трубок (длина 6-12 м, диаметр 70-160 мм, толщина стенок 10-20 мм), которые установлены вертикально в прямоугольной печи. Трубки заполняются катализатором, обычно формованным в виде небольших цилиндров или колец Рашига. Реактор обогревается горелками, которые могут размещаться внизу, сбоку или сверху печи. Топливо сжигается в радиационной секции печи. Отходящие дымовые газы (после обогрева реактора), проходят через конвекционную секцию, где охлаждаются за счет отдачи тепла жидкостным и паровым потокам.
Эффект термохимической регенерации природного газа может достигать до 30%.
Списоклитературы:
- Сперкач И.Е. Природный газ для России / Сперкач И.Е. // Сталь – 2010. №5 – С. 90 – 93.
- Сперкач И.Е. Природный газ / Сперкач И.Е. // Сталь – 2011. №3 – С. 93 – 96.
- Петин С.Н Повышение энергетического потенциала природного газа /С.Н. Петин С.В. Картавцев // Энергетики и металлурги настоящему и будущему России. Материалы 6-й всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и специалистов 24-26 мая. — Магнитогорск — С.60-64.
- Крылов О.В. Углекислотная конверсия метана в синтез-газ / Крылов О.В. // — Российский химический журнал. – Москва. – 2000. – т. 44. — №1. – С. 19-33.
- ЗыонгЧиЧунг Получение синтез-газа углекислотной конверсией метана / ЗыонгЧиЧунг // — Автореферат диссертации на соискание ученой степени к.х.н. – Москва. – 2012. – 26 с.[schema type=»book» name=»СПОСОБЫ СНИЖЕНИЯ ПОТРЕБЛЕНИЯ ПРИРОДНОГО ГАЗА В МЕТАЛЛУРГИИ» description=»В данной работе рассмотрены способы снижения потребления природного газа на металлургическом предприятии. Применение данных методов на производстве, повлечет за собой изменение технологического процесса и увеличение экономической эффективности предприятия. » author=»Мурзадеров Артём Вячеславович, Понаморев Михайил Михайлович, Картавцев Сергей Владимирович» publisher=»БАСАРАНОВИЧ ЕКАТЕРИНА» pubdate=»2017-02-21″ edition=»ЕВРАЗИЙСКИЙ СОЮЗ УЧЕНЫХ_25.07.15_07(16)» ebook=»yes» ]