office@icp.ac.ru
+7 496 522-51-64
В недавно опубликованной статье “Matrix reforming of hydrocarbons: New possibilities for low-tonnage gas processing and energy” в журнале Clean Energy Science and Technology (IF-3.7) группа российских ученых ФИЦ ПХФ и МХ РАН под руководством В. Арутюнова представила технологию, которая может существенно изменить подходы к переработке природного газа, особенно на небольших и удаленных месторождениях. Эта технология, названная матричным риформингом, предлагает элегантное решение давней проблемы газохимии: как эффективно и с минимальными затратами превратить метан (основной компонент природного газа) в синтез-газ — смесь водорода и монооксида углерода, из которой затем получают жидкое топливо, спирты и другие ценные и более легко транспортируемые продукты.
В чем главная проблема?
Современные методы получения синтез-газа (например, паровой риформинг) — это сложные, многостадийные и очень энергозатратные процессы. Они требуют огромных установок, катализаторов, которые боятся примесей, и больших дополнительных затрат тепла и энергии. Это делает существующие процессы экономически оправданными только при переработке огромных объемов газа, что недоступно для небольших месторождений.
Идея матричного риформинга
Авторы предлагают принципиально иной подход, основанный на некаталитическом автотермическом парциальном окислении природного газа. Вместо сложных и не очень эффективных систем внешнего подвода тепла для осуществления эндотермических процессов риформинга при матричном риформинге необходимую энергию получают за счет полного окисления небольшой части самого исходного сырья непосредственно в риформере.
Схема выглядит так: богатая смесь природного газа с кислородом или воздухом проходит через пористую «матрицу» — пластину из жаростойкого материала, например, керамики или прессованной металлической проволоки. Зона конверсии (горения) природного стабилизируется у поверхности этой матрицы. Процесс организован так, что тепло горячих продуктов реакции (водорода и монооксида углерода) эффективно передается обратно матрице, а от нее — свежему потоку реагентов. Благодаря такой внутренней рекуперации тепла достигаются две важные цели:
- Автотерммичность: Процесс идет за счет собственного энерговыделения, не требуя дополнительной энергии из вне.
- Расширение пределов горения: Смесь может быть значительно беднее кислородом, чем это возможно при обычном горении. Это и есть ключ к получению высокого выхода синтез-газа с минимальным образованием воды и углекислого газа.
Как это работает?
Интересно, что образование синтез-газа не заканчивается после полной конверсии кислорода в зоне горения. Как показывают авторы с помощью кинетического моделирования, важная часть процесса происходит и за фронтом пламени, в так называемой «послепламенной зоне», где кислорода уже нет. При высокой температуре (около 1700 K) оставшийся метан сначала превращается в ацетилен, а затем происходит паровой и углекислотный риформинг ацетилена, что дает дополнительное количество водорода и СО. Это открытие позволило ученым предложить способы управления составом конечного газа.
Ключевые преимущества
Матричный риформинг обладает рядом свойств, которые делают его очень привлекательным для практического применения:
- Всеядность в отношении сырья: Отсутствие катализатора делает установку нечувствительной к примесям (присутствие тяжелых углеводородов, сера, и т.д.). В качестве сырья можно использовать не только чистый метан, но и попутный нефтяной газ, газы нефтепереработки и даже биогаз.
- Простота и компактность: поскольку процесс идет в тонкой приповерхностной зоне, риформеры имеют небольшие размеры и очень высокую удельную производительность. Отсутствие катализатора делает их легко и надежно управляемыми.
- Гибкость в отношении окислителя: Технология работает как на чистом кислороде, давая концентрированный синтез-газ (до 54% H₂, 31% CO), так и на обычном воздухе. Хотя во втором случае газ будет разбавлен азотом, для многих малотоннажных процессов это не критично, зато резко снижает стоимость и повышает безопасность.
От лаборатории к практике
Исследователи не ограничились лабораторными исследованиями. В статье описаны успешно испытанные демонстрационные установки производительностью до 10 м³/час природного газа и рабочим давлением до 25 атм. Особо выделяются две области применения:
- Малотоннажная переработка попутного газа: вместо того чтобы сжигать его на факелах, газ можно прямо на месторождении конвертировать в жидкие продукты (метанол, диметиловый эфир), которые легко транспортировать.
- Распределенное производство водорода: Комбинируя матричный риформинг с последующей стадией каталитической конверсии СО, можно создать компактные и безопасные установки для получения водорода, например, непосредственно на заправочных станциях, что позволит обойти проблему его транспортировки и хранения.
Взгляд в будущее и оставшиеся вопросы
Авторы с оптимизмом смотрят на перспективы метода, однако отмечают, что для его превращения в полноценную промышленную технологию предстоит решить ряд задач. Необходимо исследовать особенности работы установок большей мощности, подобрать оптимальные конструкционные материалы для матриц, устойчивые к экстремальным температурам и агрессивной среде, а также разработать четкие принципы масштабирования.
В работе принимали участие: В. Арутюнов, В. Савченко, А. Никитин, И. Седов
Arutyunov, V., Savchenko, V., Nikitin, A., & Sedov, I. // Matrix reforming of hydrocarbons: New possibilities for low-tonnage gas processing and energy // Clean Energy Science and Technology, 4(2).