Технология «газ в жидкость»: основные тенденции GTL FT
Технология преобразования газа в жидкие углеводороды применяется для производства синтетического дизельного топлива, керосиновых фракций, нафты, базовых масел и углеводородного сырья для нефтехимии. В основе большинства промышленных комплексов GTL лежит получение синтез-газа с последующим каталитическим синтезом Фишера — Тропша.
Установка GTL FT позволяет перерабатывать природный, попутный нефтяной, биогенный и предварительно подготовленный технологический газ. Современные проекты постепенно переходят от крупных стационарных заводов к модульным комплексам, рассчитанным на распределённые месторождения, удалённые промышленные объекты и источники газа, не подключённые к магистральной инфраструктуре.
Производство синтетического топлива из природного и попутного газа
Газ в жидкость, или GTL, представляет собой технологическую цепочку, в которой метансодержащий газ преобразуется в жидкие углеводороды. В отличие от сжижения природного газа, при GTL изменяется химическая структура исходного сырья: метан сначала превращается в смесь водорода и оксида углерода, а затем — в углеводородные молекулы заданного диапазона.
Базовый процесс включает:
- приём и подготовку сырьевого газа;
- удаление сернистых соединений, воды, механических примесей и углекислого газа;
- производство синтез-газа;
- регулирование соотношения водорода и оксида углерода;
- синтез углеводородов по технологии Фишера — Тропша;
- отделение воды и непрореагировавшего газа;
- гидрооблагораживание, гидрокрекинг и изомеризацию;
- фракционирование синтетической нефти;
- хранение и отгрузку товарных продуктов.
Технология может применяться как самостоятельный комплекс либо интегрироваться с газоперерабатывающим заводом, нефтеперерабатывающим производством, водородной установкой, электролизёром, объектом утилизации попутного газа или предприятием по выпуску авиационного топлива.
Как работает технология Фишера — Тропша
Синтез Фишера — Тропша представляет собой каталитическое превращение синтез-газа, состоящего преимущественно из водорода и оксида углерода, в углеводородные цепочки. В качестве катализаторов обычно применяются системы на основе кобальта или железа. Реакция является экзотермической, поэтому конструкция реактора должна обеспечивать интенсивный и равномерный отвод тепла.
На выходе из реактора образуется смесь:
- лёгких углеводородных газов;
- синтетической нафты;
- керосиновой фракции;
- дизельной фракции;
- тяжёлых парафиновых углеводородов;
- реакционной воды;
- кислородсодержащих побочных компонентов.
Фактическое распределение продуктов зависит от состава газа, выбранного катализатора, температуры, давления, типа реактора, степени конверсии и схемы возврата непрореагировавшего газа. Технологические условия и катализатор определяют скорость реакции, селективность и выход целевых средних дистиллятов.
Подготовка газа перед подачей на риформинг
Стабильная работа GTL-комплекса зависит от качества подготовки сырья. Даже небольшое количество сероводорода, меркаптанов, металлоорганических соединений или механических примесей способно снизить активность катализатора и сократить его ресурс.
Блок подготовки газа может включать:
- входной сепаратор;
- фильтры механической очистки;
- компрессор сырьевого газа;
- аминовую очистку;
- адсорбционную осушку;
- блок удаления ртути;
- гидрирование органических соединений серы;
- адсорберы тонкой десульфуризации;
- систему удаления углекислого газа;
- узел подогрева и стабилизации давления.
Требования к анализу исходного сырья
До разработки технического предложения рекомендуется определить:
- компонентный состав газа;
- содержание метана, этана и более тяжёлых углеводородов;
- концентрацию азота и углекислого газа;
- содержание сероводорода и общей серы;
- наличие ртути, хлоридов, аммиака и механических примесей;
- влажность и точку росы;
- давление и температуру на границе установки;
- минимальный, номинальный и максимальный расход;
- сезонные изменения состава и подачи газа.
При отсутствии полного анализа может быть подготовлена предварительная максимально расширенная комплектация. Однако окончательный материальный баланс, расход катализаторов, тип риформинга и гарантируемый выход продукции определяются только после получения исходных данных.
Получение синтез-газа для реактора GTL
Синтез-газ может производиться несколькими способами:
- паровой конверсией метана;
- автотермическим риформингом;
- частичным окислением;
- комбинированным риформингом;
- сухим риформингом с использованием углекислого газа;
- обратной конверсией водяного газа для проектов Power-to-Liquids.
Для крупных GTL-заводов широко применяется автотермический риформинг, позволяющий получить требуемое соотношение водорода и оксида углерода. В состав такого участка обычно входят кислородный блок или установка разделения воздуха, реактор риформинга, котёл-утилизатор, сепарация конденсата, компримирование и очистка синтез-газа.
Выбор схемы риформинга
Паровой риформинг не требует отдельного кислородного производства, но сопровождается высоким расходом тепловой энергии. Автотермический риформинг требует подачи кислорода, однако обеспечивает более компактную технологическую схему и удобную настройку состава синтез-газа.
Для небольшой модульной установки могут рассматриваться компактные схемы парциального окисления или комбинированного риформинга. Для крупных комплексов выбор технологии производится на основании технико-экономического сравнения капитальных затрат, эксплуатационных расходов, энергопотребления, водного баланса и доступности кислорода.
Реактор синтеза Фишера — Тропша
Реактор является центральным элементом установки GTL FT. В промышленности применяются:
- трубчатые реакторы с неподвижным слоем катализатора;
- суспензионные барботажные реакторы;
- реакторы с псевдоожиженным слоем;
- микроканальные реакторные модули.
Микроканальная архитектура рассматривается для компактных и модульных производств благодаря развитой поверхности теплообмена, сокращённому пути отвода тепла и возможности наращивать мощность повторяющимися реакторными блоками.
Почему требуется точный контроль температуры
Локальный перегрев реакционной зоны может привести к:
- увеличению выхода метана и лёгких газов;
- снижению выхода керосиновой и дизельной фракций;
- ускоренному старению катализатора;
- образованию горячих точек;
- нарушению устойчивости технологического режима;
- повреждению реакторного оборудования.
Поэтому реактор комплектуется системой автоматического регулирования, многоточечным контролем температуры, устройствами отвода реакционного тепла, аварийной защитой и системой безопасного останова.
Переработка синтетической нефти после FT-синтеза
Продукт реактора Фишера — Тропша нельзя во всех случаях напрямую использовать как готовое товарное топливо. Тяжёлая парафиновая часть требует гидрокрекинга, а средние дистилляты — стабилизации, изомеризации и разделения на целевые фракции.
Блок облагораживания может включать:
- сепарацию газа, воды и жидких углеводородов;
- стабилизационную колонну;
- гидроочистку;
- гидрокрекинг тяжёлых парафинов;
- гидроизомеризацию;
- ректификационное разделение;
- производство или подготовку водорода;
- циркуляционный водородный компрессор;
- очистку и возврат хвостового газа;
- товарные резервуары.
Гидрокрекинг и изомеризация позволяют увеличить выход керосиновой и дизельной фракций, улучшить низкотемпературные характеристики продукции и уменьшить долю тяжёлого парафинового остатка.
Типовые продукты установки GTL FT
Состав товарной продукции определяется проектным заданием. Один и тот же комплекс может быть оптимизирован под выпуск дизельного топлива, керосиновой фракции, синтетической нафты или сырья для нефтехимии.
| Продукт | Назначение | Особенности дальнейшей подготовки |
|---|---|---|
| Синтетическая нафта | Компонент нефтехимического сырья, риформинг, производство растворителей | Стабилизация, фракционирование, при необходимости ароматизация |
| Керосиновая фракция | Компонент авиационного или технического керосина | Гидроизомеризация, фракционирование, сертификация и смешение |
| Синтетический дизель | Компонент дизельного топлива | Корректировка плотности, смазывающей способности и низкотемпературных свойств |
| Тяжёлые парафины | Сырьё для гидрокрекинга, масел, восков и специальных продуктов | Гидрокрекинг, депарафинизация или товарная подготовка |
| Лёгкие углеводороды | Топливный газ или сырьё для возврата в процесс | Компримирование, рециркуляция или использование в печах |
| Реакционная вода | Техническая вода после очистки | Отпарка, биологическая или физико-химическая очистка |
Синтетические углеводороды FT обычно имеют парафиновую структуру. При разработке товарного дизельного топлива необходимо отдельно контролировать смазывающую способность, плотность, фракционный состав, температуру помутнения и предельную температуру фильтруемости. Соответствие готовой продукции устанавливается испытаниями, а не только способом её производства.
Основные тенденции развития GTL и XTL
Переход от крупных заводов к модульным комплексам
Традиционная GTL-модель ориентировалась на крупные газовые месторождения и централизованные заводы. Современное направление предусматривает применение унифицированных блоков, транспортируемых автомобильным, железнодорожным или морским транспортом.
Модульная установка GTL может использоваться:
- на удалённом нефтегазовом месторождении;
- для переработки попутного нефтяного газа;
- рядом с полигоном или источником биогаза;
- на промышленной площадке с доступным технологическим газом;
- в составе распределённого производства жидкого топлива;
- как опытно-промышленный комплекс перед масштабированием проекта.
Модульность не отменяет необходимость подготовки площадки, подключения инженерных сетей, строительства резервуарного парка, факельной системы и объектов промышленной безопасности. Она сокращает объём полевого изготовления и позволяет перенести значительную часть сборки и испытаний на завод-изготовитель.
Развитие универсальной технологии XTL
Современная отрасль расширяет понятие GTL до XTL — преобразования различного углеродсодержащего сырья в жидкие продукты. Синтез-газ для FT-реактора может быть получен не только из природного газа, но и из биомассы, отходов, биогаза или сочетания водорода с улавливаемым углекислым газом.
- BTL — производство жидкого топлива из биомассы;
- WTL — производство жидкого топлива из отходов;
- PTL — производство жидкого топлива с использованием электроэнергии;
- синтетические топлива на основе водорода и углекислого газа;
- переработка биогаза в жидкие углеводороды;
- комбинированные схемы природный газ плюс биомасса.
Увеличение доли синтетического авиационного топлива
Одним из главных направлений развития FT-технологий становится выпуск синтетического парафинового керосина. Выпуск авиационного продукта требует не только получения керосиновой фракции, но и прохождения установленной процедуры квалификации, лабораторных испытаний, контроля состава и допустимого смешения с традиционным авиационным топливом.
Снижение углеродной интенсивности производства
Обычная переработка природного газа по технологии GTL не означает автоматически низкий углеродный след. Экологический результат зависит от:
- утечек метана при добыче и транспортировке;
- способа производства водорода;
- источника электрической и тепловой энергии;
- эффективности риформинга;
- степени возврата хвостового газа;
- улавливания и хранения углекислого газа;
- происхождения углеродного сырья;
- фактического выхода товарной продукции.
Новые проекты рассматривают интеграцию с низкоуглеродным водородом, возобновляемой электроэнергией, биогенным углекислым газом, улавливанием углерода и газификацией биомассы.
Повышение гибкости продуктовой схемы
Заказчики всё чаще рассматривают установку не как завод одного вида топлива, а как комплекс с регулируемым продуктовым балансом. Проект может предусматривать изменение выхода синтетической нафты, керосина, дизельной фракции, тяжёлых парафинов, специальных растворителей, базовых масел и сырья для нефтехимии.
Автоматизация и цифровая оптимизация
Для современных комплексов GTL предусматриваются:
- распределённая система управления;
- противоаварийная автоматическая защита;
- автоматическое регулирование соотношения H2/CO;
- мониторинг перепада давления на катализаторе;
- прогнозирование деактивации катализатора;
- контроль теплового профиля реактора;
- цифровой материальный баланс;
- удалённая техническая диагностика;
- архивирование параметров и событий;
- интеграция с системой управления предприятием.
Ориентировочные технические характеристики GTL-комплекса
Приведённые показатели являются типовыми диапазонами и не заменяют проектный материальный баланс. Точные параметры устанавливаются после анализа газа, определения требуемой мощности и выбора лицензионной технологии.
| Параметр | Типовое проектное значение |
|---|---|
| Исходное сырьё | Природный газ, попутный нефтяной газ, биогаз или подготовленный синтез-газ |
| Основной углеводород сырья | Метан |
| Производительность | От опытно-промышленных установок до крупных промышленных комплексов |
| Рабочий режим | Непрерывный |
| Целевое соотношение H2/CO | Определяется выбранным катализатором и лицензионной технологией |
| Температурный диапазон низкотемпературного FT-синтеза | Ориентировочно 200–240 °C |
| Давление FT-синтеза | Определяется технологией, реактором и составом синтез-газа |
| Катализатор | Кобальтовый, железный или иной лицензионный состав |
| Товарные продукты | Нафта, керосиновая фракция, дизельная фракция, парафины |
| Побочные потоки | Реакционная вода, топливный газ, продувочные газы |
| Исполнение | Стационарное, блочно-модульное или комбинированное |
| Управление | Автоматизированная система управления технологическим процессом |
| Взрывозащита | По классификации зон и требованиям проектной документации |
| Климатическое исполнение | По ГОСТ 15150-69 и техническому заданию |
| Расчётный срок службы | По паспорту, проекту и документации изготовителя |
| Гарантия | Согласно договору, спецификации и паспорту оборудования |
Комплектация установки газ в жидкость
| Основное оборудование | Назначение | Масса и вес | Документы и нормативные требования |
|---|---|---|---|
| Входной сепаратор газа | Отделение жидкости и механических примесей | Сухая, эксплуатационная и транспортная масса указываются в паспорте | ТР ТС 032/2013, ГОСТ 34347-2017 |
| Компрессор сырьевого газа | Повышение давления перед очисткой и риформингом | По паспорту компрессорного агрегата и сборочному чертежу | ТР ТС 010/2011, требования к взрывозащите |
| Блок десульфуризации | Удаление сернистых соединений | По спецификации адсорберов и загрузке сорбента | ТР ТС 032/2013, ГОСТ 34347-2017 |
| Блок осушки | Удаление водяных паров | Масса корпуса и масса адсорбента указываются раздельно | ТР ТС 032/2013 |
| Установка риформинга | Производство синтез-газа | Определяется конструкцией реактора, печи и котла-утилизатора | ТР ТС 010/2011, ТР ТС 032/2013 |
| Кислородный блок | Производство кислорода для автотермического риформинга | По комплектовочной ведомости | ТР ТС 010/2011, отраслевые требования |
| Компрессор синтез-газа | Подача газа в FT-контур | По паспорту и транспортной ведомости | ТР ТС 010/2011, ТР ТС 012/2011 |
| FT-реактор | Синтез жидких углеводородов | Сухая масса, масса катализатора и рабочая масса указываются отдельно | ТР ТС 032/2013, ГОСТ 34347-2017 |
| Сепараторы продукта | Разделение газа, воды и углеводородов | По паспорту каждого аппарата | ТР ТС 032/2013 |
| Блок гидрокрекинга | Переработка тяжёлых парафинов | По спецификации реакторов и теплообменного оборудования | ТР ТС 032/2013, ГОСТ 34347-2017 |
| Ректификационные колонны | Разделение нафты, керосина и дизельной фракции | Указывается сухая, монтажная и эксплуатационная масса | ТР ТС 032/2013, ГОСТ 34347-2017 |
| Теплообменники | Нагрев, охлаждение и рекуперация тепла | По паспортам теплообменных аппаратов | ТР ТС 032/2013 |
| Технологические трубопроводы | Транспортирование газа, водорода и жидких продуктов | Масса определяется ведомостью трубопроводов и металла | ГОСТ 32569-2013, федеральные нормы промышленной безопасности |
| Факельная система | Безопасный сброс и сжигание аварийных потоков | По проекту и ведомости металлоконструкций | Требования промышленной и пожарной безопасности |
| Резервуарный парк | Хранение промежуточных и товарных продуктов | По паспортам резервуаров и проекту основания | Проектные СП, требования пожарной безопасности |
| Система управления | Автоматизация, блокировки и противоаварийная защита | По спецификации шкафов и полевого оборудования | ТР ТС 004/2011, ТР ТС 020/2011, ТР ТС 012/2011 |
Фиксированная масса всей установки GTL не может быть определена только по производительности. В закупочной документации должны отдельно указываться масса нетто каждого аппарата, эксплуатационная масса с рабочей средой, масса катализатора и адсорбентов, масса наиболее тяжёлого монтажного элемента, транспортная масса каждого модуля, габариты грузовых мест, положение центра тяжести, требования к строповке, нагрузка на фундамент и общая металлоёмкость комплекса.
Нормативные требования к оборудованию GTL
| Нормативный документ | Область применения |
|---|---|
| ТР ТС 010/2011 | Безопасность машин и оборудования, выпускаемых в обращение на территории ЕАЭС |
| ТР ТС 032/2013 | Сосуды, аппараты, трубопроводы и другое оборудование под избыточным давлением |
| ТР ТС 012/2011 | Оборудование для работы во взрывоопасных средах |
| ТР ТС 004/2011 | Безопасность низковольтного оборудования |
| ТР ТС 020/2011 | Электромагнитная совместимость технических средств |
| ТР ТС 013/2011 | Требования к автомобильному, авиационному, дизельному, судовому и реактивному топливу |
| ГОСТ 34347-2017 | Проектирование, изготовление, испытание, приёмка и поставка стальных сварных сосудов и аппаратов |
| ГОСТ 32569-2013 | Проектирование, изготовление, монтаж и эксплуатация технологических стальных трубопроводов |
| ГОСТ 15150-69 | Климатические исполнения, категории размещения, хранение и транспортирование оборудования |
| ГОСТ 32511-2013 | Требования к дизельному топливу ЕВРО |
| СП 12.13130.2009 | Определение категорий помещений и наружных установок по взрывопожарной и пожарной опасности |
| СП 4.13130.2013 | Ограничение распространения пожара и требования к объёмно-планировочным решениям |
| Федеральные нормы и правила Ростехнадзора | Промышленная безопасность химически опасных объектов, оборудования под давлением и технологических трубопроводов |
| ASTM D7566 | Требования к авиационному турбинному топливу с синтезированными углеводородами |
В современных проектах вместо общей ссылки на СНиП применяется конкретный действующий свод правил, технический регламент, ГОСТ или федеральная норма промышленной безопасности. Нормативную базу необходимо актуализировать на дату проектирования и прохождения экспертизы.
Проектирование и подготовка технико-коммерческого предложения
Для разработки полноценного технико-коммерческого предложения на установку GTL FT заказчик предоставляет техническое задание и исходные данные по сырью. При отсутствии части информации первоначально разрабатывается концептуальная схема с допущениями и перечнем данных, которые необходимо уточнить.
В техническую часть предложения рекомендуется включать:
- общее описание комплекса;
- принятую технологическую схему;
- требования к исходному газу;
- характеристики готовой продукции;
- материальный и тепловой баланс;
- перечень основного оборудования;
- предварительные габариты;
- энергопотребление;
- расход воды, пара, топлива и воздуха;
- потребность в кислороде и водороде;
- перечень катализаторов и сорбентов;
- требования к площадке;
- состав лаборатории;
- экологические показатели;
- состав проектной и эксплуатационной документации.
Коммерческая часть может предусматривать стоимость технологической лицензии, разработку базового проекта PDP, разработку FEED, рабочее проектирование, изготовление оборудования, заводские испытания, упаковку, маркировку, доставку, страхование груза, шеф-монтаж, пусконаладочные работы, обучение персонала, гарантийные испытания и поставку запасных частей.
Поставка модульной установки GTL под ключ
Основные этапы реализации
- Сбор исходных данных и заполнение опросного листа.
- Анализ состава газа и требований к продукции.
- Разработка концепции и предварительного материального баланса.
- Подготовка технико-коммерческого предложения.
- Разработка PDP или FEED.
- Изготовление оборудования.
- Входной контроль материалов и сварных соединений.
- Заводская сборка отдельных модулей.
- Проведение заводских приёмочных и гидравлических испытаний.
- Подготовка паспортов и разрешительной документации.
- Упаковка, маркировка и доставка.
- Монтаж на подготовленные фундаменты.
- Шеф-монтаж и проверка инженерных систем.
- Холодные и горячие пусконаладочные работы.
- Загрузка катализаторов и сорбентов.
- Вывод установки на проектный режим.
- Гарантийный пробег и подтверждение показателей.
- Передача исполнительной документации заказчику.
Доставка оборудования на объект
Способ транспортировки определяется массой, габаритами и маршрутом перевозки. Возможна поставка автомобильным транспортом, железнодорожными платформами, морскими контейнерами, тяжеловесными низкорамными тралами, мультимодальной схемой или отдельными монтажными блоками для сборки на площадке.
До отгрузки разрабатываются упаковочные листы, схемы крепления, ведомость грузовых мест, инструкции по хранению и требования к консервации оборудования.
Шеф-монтаж и пусконаладочные работы
Шеф-монтаж предусматривает техническое сопровождение монтажной организации представителями поставщика или изготовителя. Специалисты контролируют правильность установки оборудования, сборки трубопроводов, подключения автоматики, подготовки катализаторных систем и выполнения предписаний производителя.
Пусконаладочные работы включают проверку комплектности, контроль монтажа, промывку и продувку трубопроводов, испытание оборудования на герметичность, настройку приборов, проверку блокировок, испытание противоаварийной защиты, опробование насосов и компрессоров, сушку, инертизацию, загрузку катализаторов, подачу сырья, последовательный прогрев, стабилизацию технологического режима, отбор и анализ продукции.
Гарантия и сервисное сопровождение
Гарантийный срок устанавливается договором, технической спецификацией и паспортом конкретного оборудования. Для покупных комплектующих могут действовать отдельные условия изготовителей.
Гарантийные обязательства должны содержать дату начала гарантийного периода, перечень оборудования, условия хранения до монтажа, требования к качеству газа, воды, масла и энергоресурсов, допустимые режимы эксплуатации, порядок уведомления о неисправности, сроки технического реагирования, порядок замены или ремонта и исключения при нарушении регламента эксплуатации.
Катализаторы, адсорбенты, уплотнения, фильтрующие элементы и другие расходные материалы учитываются отдельно. Ресурс катализатора зависит от чистоты синтез-газа, отсутствия каталитических ядов, температурного режима и соблюдения процедур пуска и останова.
Заказ установки GTL FT для переработки газа
Группа Компаний МеталлЭнергоХолдинг организует подбор технологической схемы, подготовку технико-коммерческого предложения, комплектацию, изготовление, поставку, шеф-монтаж и пусконаладочные работы для комплексов переработки газа в жидкие углеводороды.
Проект может предусматривать переработку природного или попутного нефтяного газа, производство синтетического дизельного топлива, получение керосиновой и нафтовой фракций, модульное исполнение, низкотемпературную комплектацию, резервирование критического оборудования, лабораторный контроль продукции, автономные инженерные системы, резервуарный парк, факельное хозяйство, систему промышленной и пожарной безопасности, поставку запасных частей и обучение эксплуатационного персонала.
Для предварительного расчёта необходимы производительность, состав и давление газа, место размещения объекта, требуемая продукция, климатические условия, доступные энергоресурсы и предпочтительная граница поставки. По результатам обработки исходных данных формируются технологическая конфигурация, предварительный материальный баланс, перечень оборудования и коммерческое предложение.
