Переработка газообразного топлива

При переводе двухтактного дизеля ЗАЗ-204 с жидкого на газообразное топливо загрязнение масла и количество отложений на деталях цилиндропоршневой группы уменьшилось в 15 – 17 раз, несмотря на то, что двигатель работал в более напряженном температурном и нагруженном режиме. Масло меняли при этом в два раза реже.

По ГОСТ выпускаются сжиженные газы трех марок: СПБТЗ – зимняя техническая пропанобутановая смесь для коммунально-бытового потребления; СПБТЛ – летняя техническая пропанобутановая смесь для коммунально-бытового потребления; БТ – технический бутан для коммунально-бытового потребления.

Пропан и пропилен являются основными компонентами сжиженного газа, которые обеспечивают оптимальное давления насыщенных паров в газовом баллоне. Бутановая составляющая, которая включает в себя нормальный бутан, изобутан, бутилен, изобутилен и другие изомеры, является наиболее калорийной составляющей сжиженных газов и легкосжимаемым компонентом. Наиболее целесообразно применять газ с большим содержанием бутановых фракций в летнее время, особенно в районах с жарким климатом.

 

2. Технологические методы переработки газообразного топлива

 

1. Подготовка газообразного топлива.

 

 Газообразное топливо  используется в качестве источника  энергии и сырья для химической  промышленности. Из общего потребления газообразного топлива в стране 55% его перерабатывают в промышленности, 26% сжигается в ТЭЦ, 15% расходуется на бытовые нужды и 4% потребляется другими отраслями народного хозяйства. В настоящее время с применением газообразного топлива производится до 90% стали и чугуна, 65% цемента и 85% всех минеральных удобрений.

При использовании газообразного топлива в качестве химического сырья его предварительно разделяют на индивидуальные компоненты или пригодные для дальнейшей переработки фракции. Для этого используют следующие методы:

1. Низкотемпературная конденсация, при которой газ в результате охлаждения превращается в двухфазную систему, механически затем разделяемую на жидкость и газ. В качестве охлаждающих агентов используются вода, жидкий аммиак и сжиженные этан и пропан. В некоторых случаях конденсация сочетается со сжатием газа, что способствует сжижению тяжелокипящих компонентов разделяемого газа.
2. Абсорбция, при которой отдельные компоненты газа извлекаются из него при охлаждении жидкими углеводородами с последующей десорбцией полученных растворов в отпарной колонне-десорбере. Для уменьшения потерь абсорбента в виде паров с газом применяют двухступенчатую абсорбцию: в качестве основного абсорбента используется бензин, а выходящий после первой ступени абсорбции газ дополнительно промывается тяжело кипящим газойлем, который извлекает из газа унесенный им бензин.
3. Низкотемпературная ректификация, при которой предварительно охлажденный газ в смеси с образовавшимся при этом конденсатом разделяется под давлением в ректификационной колонне. Обычно ректификация завершает процесс разделения газообразного топлива и применяется для получения индивидуальных углеводородов высокой чистоты. В этом случае на ректификацию подается только конденсат, выделенный из газа конденсационно-компрессионным методом.

Для химической переработки выделенных из газа углеводородов используются, практически, все основные реакции органического и нефтехимического синтеза: пиролиз, конверсия, окисление, гидрирование и дегидрирование, гидратация, алкилирование, реакции введения функциональных групп – сульфирование, нитрование, хлорирование, карбонилирование и др. Наряду с процессами разделения они позволяют получать на основе газообразного топлива водород, оксид углерода (II), синтез-газ, азотоводородную смесь, ацетилен, алкадиены, цианистый водород, разнообразные кислородосодержащие соединения, хлор, нитропроизводные и многое другое. В свою очередь эти полупродукты являются сырьем в производстве многочисленных целевых продуктов для различных отраслей народного хозяйства: высококачественного топлива, пластических масс, эластомеров, химических волокон, растворителей, фармацевтических препаратов, стройматериалов и других.

 

2. Переработка разных видов газообразного топлива

 

Переработка нефтяных газов. К нефтяным газам относятся попутный нефтяной газ и газы нефтепереработки – крекинг-газ и газ риформинга.

Процесс переработки попутного нефтяного газа заключается в разделении его на узкие фракции и выделении из них индивидуальных углеводородов в соответствии с их назначением. Для этого используют метод низкотемпературной компрессионной ректификации.

Так как попутный газ относится к так называемым «жирным» газам, то есть содержит помимо алканов С1-С4 значительное количество (до 50 г/м3 и более) паров пентана и высших углеводородов, его перед ректификацией подвергают операции отбензинивания – удаляют из газа высшие алканы в виде конденсата. Этот конденсат (газовый бензин) используется как добавка к бензинам, а так же служить сырьем для выделения из него пентановой и изопентановой фракций. На рисунке 2.1 представлена схема подобного разделения попутного нефтяного газа.

 

 

Рис. 2.1. Разделение попутного нефтяного газа

 

Полученные разделением попутного газа фракции используются:

- этановая – сырье  для пиролиза, хладоагент;

- пропановая – сырье  для пиролиза, хладоагент, бытовой  сжиженный газ индивидуального  газоснабжения;

- бутановая – сырье  для производства синтетического  каучука и пиролиза, компонент  бытового сжиженного газа, добавка к автобензинам;

- изобутановая – сырье  для производства изопренового  каучука и бутилкаучука, реагент  алкилирования;

- пентановая – сырье  для пиролиза и изометрии;

- изопентановая – сырье  для производства изопренового  каучука, компонент высокоактанового бензина.

Использование попутного нефтяного газа имеет большое экономическое значение. Тем не менее, на большинстве нефтепромыслов его сжигают во избежание отравления атмосферы. В 1988 году только в Западной Сибири было сожжено в факелах попутного газа на 16 млрд. руб. (в ценах того времени). Одной из причин этого является излишняя централизация процессов стабилизации нефти и сосредоточение их на немногих крупных газобензинных заводах. Гораздо более эффективным является установка небольших газобензинных станций на отдельных скважинах. Такой способ практикуется на зарубежных нефтепромыслах.

Переработка крекинг-газа. В отличие от попутного нефтяного газа газы крекинга содержат значительное количество (до 40% об.) алкенов от этилена до бутиленов. Разделение крекинг-газа на фракции совмещается с процессом стабилизации крекинг-бензина, то есть процессом извлечения из него растворенных газообразных углеводородов. Подобная переработка крекинг-газа и крекинг-бензина осуществляется на газофракционирующих установках (ГФУ) конденсационно-компрессионного или абсорбционного типа. На рисунке 2.2 представлена принципиальная схема этого процесса, а на рисунке 2.3 приведена технологическая схема ГФУ абсорбционно-ректификационного типа, работающей под давлением 1,4 МПа.

 

 

Рис. 2.2. Принципиальная схема работы ГФУ

 

 

Рис 2.3. Технологическая схема стабилизации крекинг-бензина на ГФУ абсорбционно-ректификационного типа: 1 – компрессор, 2, 3 – насосы, 4, 5, 6 – водяные холодильники, 7, 8, 9 – кипятильники, 10, 11, 12 – ректификационные колонны (фракционирующие абсорберы).

 

Сжатый в компрессоре 1 крекинг-газ смешивается под давлением 1,4 МПа с нестабильным бензином, подаваемым насосом 2, охлаждается в холодильнике 4 и подается в фракционирующий абсорбер (абсорбер-десорбер) 10, орошаемый стабильным бензином. В верхней части абсорбера из газа бензином извлекаются углеводороды С3-С4, а в нижней, которая обогревается бензином, циркулирующим через кипятильник 7, происходит десорбция их из раствора и регенерация абсорбента. В результате этого из верхней части абсорбера выходит «сухой» газ, содержащий водород и углеводороды С1 – С2, а из нижней, вместе с регенерированным абсорбентом, выводятся углеводороды С3 – С4. Насыщенный ими бензин проходит последовательно ректификационные колонны 11 и 12, работающие в аналогичном режиме. С верха колонны 11 отбирается фракция газа С3, а с верха колонны 12 – фракция С4. Для полноты отгонки углеводородов из бензина часть их конденсируется в холодильниках 5 и 6 и направляется на орошение колонн. В отдельных случаях схема ГФУ может быть дополнена специальной колонной отбора изопентановой фракции. Стабильный бензин выводится из низа колонны 12 и поступает в хранилища.

Продукты стабилизации бензина на ГФУ используются:

- пропан-пропиленовая фракция  – в качестве сырья для производства  фенола, ацетона, бутанолов, синтетических  моющих средств;

- бутан-бутиленовая фракция  – как сырье в процессах  алкилирования и полимеризации, в производстве СК, присадок к  маслам, для производства метилэтилкетона, метилбутанола.

Переработка обратного коксового газа. Обратный коксовый газ (ОКГ) представляет собой сложную смесь газообразных веществ, основной компонент которой – водород. Его содержание достигает 60% по объему. Поэтому переработка ОКГ с целью выделения из него водорода является одним из наиболее доступных промышленных способов его производства.

Газификация твердого топлива (ГТТ). ГТТ – процесс превращения органической части топлива в горючие газы путем  воздействия на него окислителей. ГТТ представляет одно из направлений совершенствования переработки экологически «грязного» топлива, в процессе горения которого выделяются зола, оксиды азота и серы. Метод ГТТ известен с 1670 года и в настоящее время приобрел значение как источник получения беззольного газообразного топлива и различных технологических газов для химической промышленности. Он стал универсальным процессом переработки топлива, так как позволяет перерабатывать любые виды твердого топлива, получать газы заданного состава, использовать процесс в установках различной мощности – от автотранспорта до крупных стационарных агрегатов. Реакторы, в которых осуществляется процесс ГТТ называются газогенераторами; поэтому газы, полученные ГТТ получили название генераторных газов.

Во всех случаях экономически и технологически целесообразно использовать для газификации низкосортное твердое топливо – торф, бурые угли, сланцы, полукокс, отходы лесоразработок и др. Таким топливом являются, например, угли Канско-Ачинского бассейна, которые даже при низкой зольности и малом содержании серы не могут эффективно использоваться как твердое топливо из-за низкой теплоты сгорания.

Технологическая схема и режим процесса ГТТ зависят от состава генераторного газа и назначения газогенераторной установки. В настоящее время в мире эксплуатируются сотни промышленных стационарных газогенераторных установок, которые конструктивно классифицируются по следующим признакам:

а) по состоянию топлива в реакторе:

- с топливом в стационарном  слое,

- с топливом в кипящем слое,

- с топливом во взвешенном  состоянии;

б) по принципу подвода тепла в реактор:

- автотермические с использованием  теплоты сгорания части газифицируемого  топлива,

- автотермические с использованием  внешнего тепла, в том числе, энергии атомных реакторов.

На рисунке 2.4 представлен один из наиболее распространенных видов газогенераторов – реактор шахтного типа для проведения процесса в стационарном слое топлива.

 

 

 

Рис. 2.4. Газогенератор: 1 – загрузочная коробка, 2 – конусный затвор, 3 – шахта, 4 – колосниковая решетка, 5 – чаша. I – зона газификации, II – зона сухой перегонки, III – зона сушки топлива.

 

Генератор выполнен в виде цилиндра высотой 4,5 м и диаметром 3,5 м, футерованного изнутри огнеупорным кирпичом. Нижняя часть шахты погружена во вращающуюся чашу, наполненную водой для создания гидравлического затвора. В чаше укреплена колосниковая решетка, через которую в реактор подается дутье. Твердое топливо периодически поступает в реактор через загрузочную коробку при опущенном конусе затвора. При поднятии конуса топливо попадает в шахту. Образующаяся зола проходит через колосниковую решетку и гасится водой в чаше.

Максимальной интенсивностью обладают газогенераторы кипящего слоя, в которых используется тонкодисперсное топливо. На рисунке 2.5 представлена технологическая схема производства водяного газа газификацией в кипящем слое.

 

 

 

 

Рис. 2.5. Технологическая схема ГТТ в кипящем слое: 1 – бункер топлива, 2 – газогенератор «КС», 3 – котел-утилизатор, 4 – циклон, 5 – сборник пыли, 6 – конденсатор-холодильник, 7 – каплеуловитель.

 

Кипящий слой измельченного топлива в подобной установке создается за счет подачи в газогенератор водяного пара. Производительность установки достигает 105 м3 генераторного газа в час.

Состав полученных генераторных газов зависит от природы окислителя (вида дутья), типа газифицируемого топлива и режима процесса. В зависимости от назначения генераторные газы делятся на:

- энергетические (генераторные)

- технологические (синтез-газ)

- восстановительные (для металлургии)

- отопительные (бытовые).

В таблице 2.1 приведен средний состав газов, полученных на различном дутье. Из данных таблицы следует, что наиболее богаты ценными компонентами – оксидом углерода (II) и водородом водяной и парокислородный генераторные газы.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Таблица 2.1

Состав генераторных газов

 

Дутье	Название газа	Состав газа, % об.					Низшая теплота сгорания кДж/м3
		CO	H2	CO2	CH4	N2
Воздух	Воздушный	30	5,0	4,0	1,0	60	4950
Водяной пар	Водяной	36	50	8,0	-	6,0	10000
Воздух и вод. пар	Паровоздушный	20	16	4,0	2,0	48	6300
Кислород и вод. пар	Парокислородный	66	31	1,0	1,0	1,0	9850