Проект «Синтез

Институт Перспективных Исследований
при Отделении Общественных Наук РАН
Проект «Синтез»
по освоению многоцелевой энерго-ресурсосберегающей
экоохранной технологии утилизации «парниковых» газов
и производства из них углеводородного сырья
Москва 2008
Техногенные выбросы диоксида углерода в атмосферу
планеты Земля на сегодня достигают 25 млрд.т/год.
Перманентное увеличение добычи и потребления миллиардов
тонн углеводородов и выбрасывание в таких же объёмах в атмосферу диоксида углерода, а также других отходов цивилизации
сдвинул стехиометрию биосферы до предельно опасного состояния.
Проблема нарастающего содержания диоксида углерода в земной
атмосфере, осязаемость «парникового» эффекта и опасность
глобальных климатических изменений, являются предметом серьез-ной
озабоченности международного сообщества.
В соответствии с международными соглашениями по Киотскому
протоколу к Рамочной конвенции ООН «Об изменении климата»
разрабатывается и внедряется система мер, позволяющих приоста-новить
нарастающий техногенный выброс диоксида углерода в земную
атмосферу и включающих наряду с развитием нетопливных отраслей
энергетики целевые исследования и разработки технологий поглощения и
связывания выбросов диоксида углерода.
Круговорот углерода в природе и техногенной сфере
Солнечная
энергия
фотосинтеза
Эмитенты СО2:
СН2О + О2 = СО2 + Н2О
СН4 + 1,5О2 = СО2 + Н2О
6,2∙1011тонн СО2/год
qc ≈ 200
93 %
Мир животных и
природное окисление
углеводов и
углеводородов
кВт-ч
кгСН2О
7%
Топливная энергетика,
промышленность и
транспорт
Мир
зеленых растений
СО2 = Н2О = СН2О +О2 - qc
топливо (СН2)
кислород (О2)
углеводы (СН2О)
Н2О
Факторы техногенной эмиссии «парниковых» газов
СО2
Социальная
энтропия
СО2
СО2
СО2
СО2
СО2
СО2
Испражнения
цивилизации
Варварское сжигание
углеводородов
Технологические
процессы
Лесные
пожары
Мировые
войны
Грязный
бизнес
Транспорт
Уничтожение
среды обитания
Дальнейшее накопление диоксида углерода в атмосфере
ставит под угрозу существование биосферы планеты Земля.
Человечество, как и все живое, ожидают суровые испытания:
Интенсивное таяние
ледников
Смерчи и
тайфуны
Засуха
плодородных земель
Повышение уровня
океана до 60 метров
Природные
катаклизмы
Затопление
тысяч городов
Разрушительные
ураганы
Грозы и
град
Голод
Лесные
пожары
атмосферы
Разогрев
Деградация
озонового слоя
Глобальное
изменение климата
Затопление
низменностей
Утрата флоры
и фауны
Социальные
катастрофы
Мировые войны
за ресурсы
Повышение уровня океана приведет к затоплению захоронений твердых
бытовых и промышленных отходов. В океане окажется огромное, не
совместимое с жизнью, количество продуктов жизнедеятельности цивилизации.
Погибнет планктон и все остальные обитатели подводного мира. Далее произойдет залповый выброс океаном метана и продуктов распада, что усилит
«парниковый» эффект на планете.
Атмосфера планеты продолжит
разогрев. Человек, возомнивший себя «Царем природы» исчезнет как вид.
1. Цели проекта «Синтез»
В ответствии с международными соглашениями по «Киотскому протоколу» к
Рамочной конвенции ООН «Об изменении климата» в России разрабатывается и
внедряется система мер, позволяющих приостановить нарастающий техногенный
выброс диоксида углерода (СО2) в земную атмосферу и включающих наряду с
развитием нетопливных отраслей энергетики целевые исследования по утилизации
диоксида углерода.
Ведущими специалистами ракетно - космического комплекса под руководством
Института Перспективных Научных Исследований отделения Общественных Наук РАН
совместно с базовыми институтами Российской Академии наук при поддержке
Российского Фонда Фундаментальных исследований был создан многоцелевой
проект «Синтез» по утилизации техногенных выбросов «парниковых» газов и
преобразования их в углеводородное сырье, водород или жидкое моторное топливо
повышенной экологической чистоты класса «Евро 4».
Стратегическими целями проекта «Синтез» являются создание и освоение
промышленной технологии, способствующей решению стоящих современных проблем экологии
земной атмосферы и мировой топливной энергетики:
• проблемы прогнозируемого истощения мировых запасов нефти, как наиболее
технологичного источника получения жидкого моторного топлива, основных видов горючего
для сегодняшней мировой топливной энергетики и сырья для промышлен-ности химического
органического синтеза;
• проблемы нарастающего загрязнения земной атмосферы «парниковыми» газами, в основном диоксидом углерода, являющегося продуктом сгорания и переработки топлива отраслями
Проект «Синтез» относится к новым, прорывным технологиям химической
промышленности, имеет межотраслевой
интегрирующий характер, кооперируя развитие
научных и производственных направлений смежных отраслей химической, энергетической,
нефтехимической промышленности и экоохранной деятельности, является фактором
повышения квалифицированной занятости населения и улучшения экологической обстановки в
локальных промышленных зонах и мегаполисах.
Технология проекта позволяет решить принципиальные проблемы передачи
электроэнергии от возобновляемых источников энергии на транспорт, представляя
собой универсальное средство аккумулирования и передачи энергии, как в форме
традиционных углеводородных жидких энергоносителей, так и в перспективной
форме водородного топлива, обеспечивающих все виды транспортных средств на
всех этапах переходного периода.
Технология проекта решает общую проблему истощения углеводородных сырьевых
источников для мировой промышленности органического синтеза, создавая альтер-нативную,
возобновляемую сырьевую базу в виде техногенных выбросов парниковых газов (до 25
млрд.т./год), а также в виде запасов диоксида углерода, избыточно накопленных в земной
атмосфере и превышающих по эквиваленту (500 млрд.т.) раз-веданные мировые запасы
нефти.
Промышленное освоение проекта «Синтез» позволяет комплексно решать ряд
основных задач экономики России, в области экологии атмосферы, энергетики, ресурсо
- сбережения и транспорта на основе технологии поглощения и высоко-рентабельной
переработки парниковы х газов в жидкое синтетическое моторное топливо, водород или их
производные:
2. Экологическая концепция проекта «Синтез»
В земной атмосфере диоксид углерода (СО2) находится в состоянии непрерывного
замкнутого экологического круговорота, в котором поток СО2, поступающий в атмосферу
– около 350 млрд. т. СО2/год (в основном от разложения и окисления органических
веществ биосферы Земли), равен потоку связывания СО2 в процессах фотосинтеза,
который осуществляют зелёные растения суши и океана, используя энергию солнечного
излучения и аккумулируя ее в органические вещества – продукты фотосинтеза.
Величина концентрации СО2 в атмосфере определяется вековым динамическим равновесием этих потоков и непрерывное нарастание её в течение последних 150 лет может
свидетельствовать о нарушении данного векового равновесия.
Техногенные выбросы диоксида углерода в атмосферу на сегодня достигают
25 млрд.т/год , т.е. около 7% общего природного круговорота СО2 в атмосфере Земли и
являются единственным в земной экосфере источником выбросов СО2, не компенсированным обратными процессами связывания СО2, которых на сегодняшний день в мировой
технике не существует.
Основной концепцией проекта «Синтез» является создание промышленной технологии, осуществляющей извлечение диоксида углерода из промышленных выбросов, а
также СО2, избыточно накопленного в атмосфере Земли (не менее 500 млрд. т.), и
переработку его в продукты, востребованные в хозяйственно-экономической деятельности - органические соединения и полимерные продукты, экологически чистое
жидкое синтетическое моторное топливо и водородное топливо.
Технология «Синтез» по мере её промышленного внедрения обеспечивает постепенное
вовлечение выбросов СО2 отраслями топливно-энергетической, химической, металлургической и пищевой промышленности в круговорот углерода, подобный природному, тем
самым позволяя решать стоящую проблему сокращения техногенной эмиссии СО2 в атмосферу на экономически рентабельной основе.
3. Существо технологии проекта «Синтез»
Технология осуществляет совместную переработку продуктов сгорания и переработки углеводородного топлива - диоксида углерода и воды. Экспериментально
отработанный вариант технологии, оптимизированный по экономическим и
технологическим показателям для первых этапов внедрения, включает в себя четыре
основных стадии:
• Извлечение и концентрирование диоксида углерода из разбавленных газовых
промышленных выбросов
(от 7% до 97% содержания СО2) абсорбционнодесорбционными методами с использованием регенерируемых поглотителей на
основе аминов.
Данный процесс технологии в перспективе будет развиваться на извлечение
диоксида углерода непосредственно из земной атмосферы с включением в технологию
дополни-тельного газоселективного мембранного газоразделения.
• Восстановление диоксида углерода и воды до получения водорода и оксида
углерода, т.е. синтез-газа, в параллельных процессах электролиза воды и
химико-каталитического восстановления диоксида.
• Полученный в электролизе воды кислород утилизируется в параллельном
процессе автотермической парокислородной конверсии метана, в котором
производится дополнительный синтез-газ и избыточный (товарный) водород.
• Синтез углеводородов на основе конверсии типа Фишера-Тропша с получением широкого спектра продуктов органического синтеза.
4. Энергетическая концепция технологии проекта «Синтез».
На осуществление процесса восстановления углеводородов из окисленных продуктов их
сгорания - диоксида углерода и воды - должен затрачиваться термодинамически
определенный минимум энергии - электрической, химической, тепловой, в сумме
составляющий для обратимого процесса не менее, чем энергосодержание (теплота
сгорания) полученных углеводородных продуктов.
Существенной особенностью технологии «Синтез» является то, что относительная
величина затрат электрической энергии в технологии составляет 35…40% от энергосодержания полученных углеводородных продуктов, т. е. 0,35…0,4 кВт·ч на 1 кВт·ч
теплоты сгорания продуктов. Оставшаяся часть – 65% восполняется химической
энергией углеродосодержащего рабочего тела, вовлекаемого в процесс синтеза природного газа – метана (равно любого другого, например, угля и воды); при этом
характерной особенностью данного процесса синтеза является его экологическая
чистота – отсутствие образования и обратной эмиссии диоксида углерода в атмосферу
и отсутствие затрат внешней тепловой энергии.
При использовании технологии «Синтез» для целей энергоаккумулирования в
энергосетях с переменной суточной нагрузкой (на основе обратного преобразования
химической энергии полученных у глеводородов в электрическую) данные показатели
обеспечивают коэффициент возврата энергии в сеть около 110...120%.
Промышленное внедрение и развитие технологии «Синтез» тесно взаимосвязано с
развитием нетопливных, возобновляемых видов электроэнергетики (атомной, гидросолнечной и ветроэнергетики) , обеспечивающих необходимую, экологически чистую
электрическую составляющую для процесса переработки парниковых газов в синтез-газ
и углеводороды.
Взаимодействуя с возобновляемой энергетикой промышленные объекты
технологии «Синтез» будут решать не только экологические задачи сокращения
выбросов «парниковых» газов, но комплексные задачи:
• обеспечение стабильными источниками химически чистого, базового промежуточного сырья (синтез–газ, этилен, пропилен, конденсированные непредельные углеводороды и т.п.) крупнотоннажных химических производств органических и
Полимерных продуктов - полиэтилена, полипропилена, поливинилхлорида, конструк ционных пластмасс, метанола, синтетических моторных масел и т. п.;
• аккумулирование энергии нестабильных по своему характеру, возобновляемых
Источников энергии ( ветро,- солнечных, гидро- и термоядерных), а также атомных
источников и обеспечение передачи ее на транспорт в виде жидкого моторного
топлива с экологическим качеством стандарта не ниже «Евро-4» и в виде водородного топлива.
По мере развития технологии «Синтез» доля использования возобновляемых видов
энергии будет увеличиваться с учетом территориального размещения промышленных
объектов технологии в энергетических сетях с возобновляемыми источниками энергии и
прямых поставок от энергопроизводителей АЭС и ГЭС, а также в соответствии с общим
ходом развития нетопливных, экологически чистых отраслей мировой электроэнергетики.
5. Стратегия промышленного внедрения технологии «Синтез»
Ближайший 10 -летний период государственного планирования предусматривает
развитие проекта «Синтез» в рамках использования энергетических резервов нетопливных объектов энергетики (атомных и гидроэлектростанций) в периоды ночных провалов
потребления, составляющих 40…45 млрд. кВт·ч/год. Данные мощности позволяют
переработать около 7 млн.тонн/год выбросов диоксида углерода и производить не
менее 4 млн.т/год высокочистого синтетического сырьевого полупродукта (этилен,
пропилен, альфа-олефины, парафины), обеспечивающего базовые потребности крупнотоннажных российских химических производств полимеров и пластмасс - полиэтилена,
полипропилена, поливинилхлорида, полистирола, каучука, синтетических моторных
масел и др., а также производить около 7…8 млн. тонн/год жидкого моторного
топлива повышенного экологического качества со стандартом не ниже «Евро-4»,
что покрывает около четверти общих потребностей внутреннего рынка России в
автомобильном топливе.
Использования объектами технологии «Синтез» энергии ночных провалов позволяет
существенным образом улучшать экономические показатели эксплуатации и скорость
самоокупаемости
энергопроизводящих объектов и энергопередающих сетей на
основе сокращения экономических потерь от вынужденного простоя и неполной
загрузки оборудования ЕЭС, связанных с практическим отсутствием в системах ЕЭС
России энергоаккумулирующих мощностей.
Созданные сопряженными проектами «Солнечный ветер», «Базис», «Турбоветер»
технологии эффективного преобразования и передачи электрической и тепловой
составляющей потока солнечной энергии делает в будущем проект «Синтез» еще
более эффективным и энергонезависимым от топливной энергетики.
.
6. Описание пилотного опытно-промышленного проекта
комплекса переработки диоксида углерода в продукты
органического синтеза и водород мощностью 5000 тонн в год
В состав комплекса входят следующие узлы:
•
Узел концентрирования СО2 (рис.1)
На выходе - очищенный диоксид углерода СО2
• Узел систем электролиза воды (рис.2)
На выходе - очищенные водород Н2 (99.99) и кислород О2 (99.95)
•
Узел конверсии диоксида углерода (рис.3)
На выходе - синтез-газ (СО +Н2) с остаточной примесью СО2 и паров воды
• Узел конверсии метана.(рис.3)
На выходе - синтез-газ (СО +Н2) , водород Н2, газовый конденсат
• Узел синтеза углеводородов на базе реактора Фишера-Тропша (рис.4)
На выходе - продукты органического синтеза (жидкие и газообразные углеводороды,
моторное топливо (Евро 4), метанол, диметиловый эфир, уксусная кислота, и т. д.)
По своему составу и конфигурации многоцелевая технология «Синтез» имеет
большой потенциал совершенствования как по элементной базе
исполнения,
так и по структуре в зависимости от конечного продукта и источников энергии.
Рис.1. Узел выделения и концентрирования диоксида углерода
Состав оборудования узла: 1 - эксгаусбер, 2 - скруббер водяной промывки, 3 - блок-отстойник, 4 - гидронасос, 5 - абсорбер СО 2, 6 гидронасос, 7 - блок-отстойник, 8 - теплообменник - рекуператор, 9 - блок пеноотделения и дополнительного нагрева, 10 - гидронасос, 11 десорбер СО2, 12 - вход сухого пара, 13 - теплообменный аппарат воздушного охлаждения, 14 - компрессор СО 2, 15 - газгольдер СО2, 16 компрессор высокого давления, 17 - аппарат глубокой осушки СО 2.
11
5
15
В газгольдер
на переработку
СО2
2
17
1
16
12
СО2 на продажу
7
3
4
6
Производительность по углекислоте, т/сутки
Расход пара
Расход эл. энергии
Расход воды
Расход МЭА
Занимаемая площадь
3
Производительность по дымовым газам, м/час:
Потребляемая эл. энергия
Окупаемость установки производит. 5 т/сутки
8
9
13
10
14
5, 20, 50, 100
3 кг/кг
0,4 кВт-ч/кг
0,8 л/кг
-3
0,18·10 л/ кг
2
200 м
5000, 20000,50000, 100000
80-100 кВт/час
6 месяцев
Рис. 2 Узел электролиза воды. Схема плана расположения агрегатов и оборудования
Помещение щитов
и агрегатов
выпрямительных
Электролизная
Электролизер 01-Э (ФВ-500)
Электролизер 02-Э (ФВ-500)
Блок очистки
и осушки в
т.ч.
компрессоры
Электролизер 03-Э (ФВ-500)
Операторская
Пульт управления
Стенд
газоанализатроров
Газоанализаторная
Подготовка
электролита
Помещение
обслуживающего
персонала
Рампа
азотная
Рис.3 Узлы конверсии природного газа и двуокиси углерода
Узел конверсии природного газа
Пар
перегретый
Р2
Кислород
С10
106
Т3
Р4
Р3
Т1
Т4
М11
Т5
Р1
Природный
газ - СН4
Т2
Газовый
конденсат
Водород
Отбросный
газ
Конденсат
Синтез-газ
Н1
Н2
Двуокись углерода
Узел конверсии двуокиси углерода
Узел очистки синтез-газа
Синтез-газ
Т2
Т1
С10
Р1
ПП
Пар
201
Т3
202
СО2
М11
Т203
М11
ВПД
Т5
ВО
Синтез-газ
на реактор
Ф-Т
Диоксид
углерода
Н3
Т204
Пар
Т205
Водород
Пар
Газовый
конденсат
Рис. 4 Узел синтеза углеводородов Фишера-Тропша
перегретый пар в узел
конверсии
Пар
Первая ступень синтеза
К303-1
Вторая ступень синтеза
Т304-1
К303-2
ВПД
Т304-2
ВПД
С305-1
Т301-1
С305-2
Танковые газы
Т301-2
Танковые газы
С306-1
С306-2
Углеводородное
сырье
Синтез-газ из узла доочистки
Углеводородное
сырье
Синтез-газ
Пар
Четвертая ступень синтеза
Третья ступень синтеза
К303-3
Т304-3
К303-4
ВПД
Отбросные газы
в узел конверсии
Т304-4
ВПД
С305-3
С305-4
Т301-3
Синтез-газ
Танковые газы
Т301-4
С306-3
Углеводородное
сырье
Танковые газы
С306-4
Синтез-газ
Углеводородное
сырье
7. Экономические характеристики проекта «Синтез» и макроэкономические показатели развития экономики России с учетом
внедрения проекта
Эффективность энергетических и материальных балансов технологии «Синтез»
определяет физические основы экономической рентабельности проекта, которая
определяется как разность стоимости получаемой конечной углеводородной
продукции технологии «Синтез» и себестоимости ее производства.
Расчетно-экономическое исследование показателей финансово-экономической
эффективности проекта, выполненное в профессиональной системе оценки
эффективности и состоятельности инновационных проектов (Прил. №1) показывает, что
рентабельность годового оборота производств по технологии «Синтез» после периода
самоокупаемости составляет от 150 до 200% в зависимости от видов реализуемой
конечной продукции технологии.
Скорость самоокупаемости промышленных объектов технологии пропорциональна их производственной мощности, поскольку удельные капитальные затраты на
единицу мощности нелинейно снижаются с увеличением общей производительности
объекта.
При проектной мощности пилотного образца опытно – промышленной линии
переработки диоксида углерода около 5000 т. углеводородов в год и общей сметной
стоимости пилотного этапа проекта 1200 млн.руб. период самоокупаемости
полных инвестиционных затрат составляет около 1,8 – 2 года с момента ввода
объекта в эксплуатацию.
С развитием производственных мощностей проекта до 500 000 т. углеводородов
в год сметная величина капитальных затрат составляет 18000 млн.руб., а период
самоокупаемости – менее 1 года с момента ввода мощностей в эксплуатацию.
Анализ моделей развития экономики России на период до 2015 года, выполненный Центральным Экономико - Математическим Институтом РАН, показывает, что
внедрение проекта «Синтез» может обеспечить дополнительный прирост ВВП России на
6.67% за указанный 8-летний период (см. Диаг.1, Диаг.2).
Дополнительный прирост доходов на душу населения в номинальном выражении за
8 лет составляет 2,67% относительно базового варианта развития
экономики
(см. Диаг.3).
Данное воздействие на экономическую систему, как показывает анализ ЦЭМИ РАН,
не вызывает роста индекса потребительских цен и можно констатировать, что
дополнительные доходы населения в данном воздействии не девальвируются инфляцией.
Диаг.1. Сравнительный прирост ВВП России с учетом запуска
проекта «Синтез» в ценах базового периода, в процентах (2007 год=100%)
7
6
5
6,97
4
5,69
3
4,55
3,54
2
2,64
1,85
1
1,15
0,54
0
2008
2009
2010
2011
2012
2013
2014
2015
Диаг. 2. Дополнительный прирост ВВП России относительно
базового варианта развития экономики, в процентах.
3
2,5
2
2,67
1,5
2,29
1,91
1
1,53
1,15
0,5
0,76
0,38
0
2009
2010
2011
2012
2013
2014
2015
Диаг. 3. Прирост показателя «доход на душу населения» в номинальном
выражении относительно базового варианта развития экономики, в процентах.
Приложение №1
Институт Перспективных Исследований
при Отделении Общественных Наук РАН
Диаграммы основных параметров проекта «Синтез»
в варианте производства 20 000 тонн уксусной кислоты в год
Москва 2008