СПОСОБЫ СНИЖЕНИЯ ПОТРЕБЛЕНИЯ ПРИРОДНОГО ГАЗА В МЕТАЛЛУРГИИ

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:

1. Сперкач И.Е. Природный газ для России / Сперкач И.Е. // Сталь – 2010. №5 – С. 90 – 93.
2. Сперкач И.Е. Природный газ / Сперкач И.Е. // Сталь – 2011. №3 – С. 93 – 96.
3. 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.
4. Крылов О.В. Углекислотная конверсия метана в синтез-газ / Крылов О.В. // — Российский химический журнал. – Москва. – 2000. – т. 44. — №1. – С. 19-33.
5. 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» ]