Туман и синтез Фишера — Тропша

Самые эффективные способы переработки попутного нефтяного газа

Дискуссия в Научном центре мирового уровня Тюменского государственного университета второй год подряд проходит с международным участием / Фото: Тюменский государственный университет

Как бионика помогает решать проблемы материаловедения — от переработки попутного нефтяного газа до приживаемости имплантов  

Вначале ноября в Тюменском государственном университете (ТюмГУ) прошел очередной форум «Компьютерный инжиниринг в трансформации традиционных индустрий 2022». Как отметил ректор ТюмГУ Иван Романчук, нынешний форум отличается от предыдущих: 

— Это связано и с рядом внешних обстоятельств, и с нашими направлениями развития — в первую очередь с созданием в регионе Передовой инженерной школы. Мы обсудили роль вузов в достижении импортонезависимости, переход на отечественные технологии, реализацию важных для университета и региона стратегических проектов программы «Приоритет 2030». Все эти форматы, темы, новые партнерства совсем не случайны. Это показатель того, что мы видим актуальные вызовы и готовы с ними работать. 
Какие это вызовы и что предлагает прикладная наука?

Погаси факел

Главной темой работы ключевой секции, организованной Научно-образовательным центром (НОЦ) мирового уровня ТюмГУ, стали переработка и утилизация побочного продукта нефтедобычи — попутного нефтяного газа (ПНГ). В 2021 году в России добыто 101 млрд кубометров газа, при этом пятая часть — более 22 млрд кубометров — сожжена в факелах. Прогноз на 2022 год — 21,4 млрд кубометров. За последние десять лет этот показатель практически не изменился, несмотря на существенные усилия компаний ТЭК, государства и научных организаций. Россия вместе с Ираном, Ираком, США и Венесуэлой в лидерах по объему сжигаемого ПНГ: на эти пять стран приходится около 50% мирового объема. 

Профессор Национального политехнического института Мексики Хорхе Анчейта Хуарес рассказал о важности моделирования для увеличения масштабов каталитических реакторов, в том числе в области производства возобновляемых видов топлива /Фото: Тюменский государственный университет

Причин достаточно — от неразвитой инфраструктуры (отсутствия систем сбора, подготовки и транспортировки газа, удаленности скважин от объектов газопереработки) до незаинтересованности 
бизнеса в финансировании подобных проектов. Существенным прогрессом было массовое использование ПНГ в качестве топлива при производстве электроэнергии для собственных нужд нефтедобывающих предприятий, но сегодня этот способ утилизации близок к пределу потреб­ления: много электричества не нужно, а продавать избытки не всегда экономически целесообразно. Некоторые компании, например Газпромнефть, перерабатывают ПНГ в сжиженный углеводородный газ (СУГ) — эта смесь пропана, бутана и изобутана часто используется как газомоторное топливо. Но с разворачиванием событий на Украине экспорт СУГ практически сошел на нет. 

Для обеспечения 95-процентного уровня утилизации ПНГ в РФ были разработаны механизмы госрегулирования, в том числе административного и налогового, призванные через систему штрафов и налоговых льгот стимулировать рост инвестиций в его переработку. Но показатель так и не был достигнут. Летом этого года РСПП предложили увеличить норматив сжигания попутного газа. Однако Минприроды не поддержало предложение об освобождении нефтекомпаний от повышенных штрафов за сверхнормативное сжигание. 

Дальнейшее развитие использования ПНГ зависит от разработки и внедрения новых технологий, которые позволят сократить издержки и повысить рентабельность переработки. 

Заместитель генерального директора по стратегическому развитию научно-производственного предприятия «Союзгазтехнология» Дмитрий Галиос сравнивает разработку и внедрение технологий переработки ПНГ с первым полетом человека в космос: «Полет Гагарина — это некая квинтэссенция технологического развития человечества. Если мы будем думать только о том, что нас останавливает, никогда не продвинемся вперед. Нужно четко осознавать, что ПНГ — это ценный товарный продукт. И если мы не можем его переработать и реализовать — это потенциально упущенная выгода».

По его словам, 23% всего эксплуатационного фонда — это пробуренные скважины, где не ведется добыча: «10% из них могут быть источником ПНГ. Почему они законсервированы? Во-первых, инфраструктура была ориентирована на добычу нефти, а добыча газа потянула бы за собой дополнительные капитальные затраты и, вероятно, негативно сказалась бы на производстве целевого продукта. Во-вторых, нет решений, которые позволили бы организовать рентабельную переработку. Вместе с ТюмГУ мы прорабатываем варианты строительства малотоннажных установок по производству конечных продуктов из ПНГ. Одним из них может стать карбамид — твердый продукт, не требующий трубопроводной инфраструктуры для транспортировки, его можно вывозить с месторождений, используя иные виды логистических ресурсов, а затем переправлять по водным артериям. Да, выглядит красиво, экономически рентабельно, но что будет по факту, мы не знаем. Все это требует грамотной проработки и должно быть упаковано в сервисную оболочку». 

— Решений немного, в особенности если мы говорим об удаленных месторождениях и суровых климатических условиях. В США, например, такой проблемы нет, поэтому развита трубопроводная инфраструктура и сеть газоперерабатывающих заводов. Что делать, если у вас нет этой инфраструктуры? Вырабатывать электроэнергию? В лучшем случае это 20 — 30% газа. Закачивать газ в пласт? В тех же Штатах на месторождениях сланцевой нефти, а ПНГ там больше, 70% газа закачивается в пласт. Но это дорого. Третий вариант — переработка. Нужна инфраструктура, в том числе для карбамида. Придется строить дорогу. Поэтому последние 15 лет основным подходом является синтез неких продуктов, которые можно смешать с нефтью и отправить по трубопроводу, — констатирует директор Института нефтехимического синтеза им. А.В. Топчиева РАН Антон Максимов.

Технология должна быть универсальна 

Ученые считают наиболее перспективными технологии GTL (gas to liquids) — перевод газа в жидкое состояние. В процессе GTL производится синтетическое жидкое топливо (нефть и дизтопливо), а также нафта, смазочные масла, парафины. Синтетическая нефть транспортируется вместе с обычной нефтью или конденсатом для дальнейшей переработки. На рынке GTL значительную роль играют компании Sasol (ЮАР), ConocoPhilips, BP, ChevronTexaco, EuroilLtiiucL, которые имеют собственные проекты GTL на разных стадиях реализации от опытных установок до действующих предприятий. 
Есть три типа технологий, позволяющих превращать углеводороды из газа в синтетические жидкие продукты — прямая конверсия, непрямая конверсия через синтез-газ, синтез метанола из синтез-газа. Самым совершенным считается синтез углеводородов из оксида углерода и водорода по методу Фишера — Тропша, разработанному еще в довоенной Германии.

— Существует две технологические концепции реализации синтеза Фишера — Тропша. Транспортный вариант — это упрощенная концепция: ожижили и направили в трубу. Топливный вариант, когда получается вся линейка современных натурных топлив: бензин, керосин и дизтопливо. В случае ПНГ нас интересует именно транспортный вариант. Простая схема, о которой мы говорим уже пятнадцать лет, до сих пор не внедрена не только в России, но, например, и в Бразилии, где нет таких суровых погодных условий. Почему? Потому что синтетические углеводороды плохо смешиваются с природными, а особенно с тяжелыми нефтями: они высаливают тяжелые углеводородные нативы нефтей с образованием осадка. Смешивать можно, но в очень большом разбавлении: на один объем синтетических жидких углеводородов — от 15 до 25 объемов нативных нефтей. Все зависит от того, с какой конкретно нефтью мы имеем дело и какие продукты получаем. Это создает большие неудобства. Любая технология, когда она применима к нефтедобыче и переработке, должна быть универсальна, — объясняет заведующая сектором каталитического синтеза на основе оксидов углерода и углеводородов им. А.Н. Башкирова Института нефтехимического синтеза им. А.В. Топчиева РАН Майя Куликова.

По ее мнению, чтобы закачивать ПНГ в трубу и при этом не громоздить новые установки на месторождении, нужен апгрейдинг: «Это дополнительная стадия технологии, которая позволит довести плотность продуктов синтеза Фишера — Тропша до плотности тяжелых нативных нефтей».

Кроме того, добавляет Антон Максимов, использование метода Фишера — Тропша будет рентабельным только при очень высоких мощностях, и речь идет о десятке скважин.

Принцип тумана и росы…

Над катализаторами для переработки побочных продуктов нефтедобычи работает Центр природовдохновленного инжиниринга, созданный в этом году при НОЦ ТюмГУ. Направления деятельности Центра: инжиниринг микро- и нано­устройств, химический инжиниринг, оптические технологии. Поставлены задачи, вхождения в топ разработчиков микро- и наноразмерных устройств, к работе привлечены эксперты с соответствующими компетенциями. Центр станет первым национальным центром подготовки кадров в области природовдохновленного инжиниринга.

Чем может помочь природа в переработке побочных продуктов нефтедобычи? Один из таких продуктов — газовый конденсат (смесь жидких углеводородов фракции C5+) — сегодня используется для производства бензинов, реактивных и дизельных топлив. Однако современные технологии его глубокой переработки имеют низкую или даже отрицательную рентабельность из-за высоких капитальных затрат. Следствие — малые объемы и большие проблемы переработки: загрязнение окружающей среды углеводородами, выбросы парниковых газов.

В Центре природовдохновленного инжиниринга развивают идею использовать при синтезе катализаторов переработки процессы, схожие с теми, что происходят при образовании тумана и росы. По словам автора идеи, старшего научного сотрудника НОЦ ТюмГУ и директора Центра Андрея Елышева, разрабатывается каталитическая технология, в основе которой лежит использование структурированных микроволокнистых катализаторов с повышенной теплопроводностью. Предполагается, что конверсия части газового конденсата позволит получить водород, а последующий гидрогенолиз оставшейся части — метан, который затем может быть включен в состав основного производимого природного газа и транспортирован по трубопроводу. Исследования ведутся совместно с Институтом катализа им. Г.К. Борескова Сибирского отделения РАН. 

При синтезе катализаторов переработки побочных продуктов нефтедобычи предлагается использовать процессы, схожие с теми, что происходят при образовании тумана и росы 

— Мы ставим в основу деятельности использование идей, заимствованных из живой и неживой природы. Это дает новые степени свободы для создания высокоэффективных технологий, — формулирует подход ведущий научный сотрудник этого института Андрей Загоруйко. — Одна из простых идей, которые можно использовать, — иерархическое структурирование в биологических системах. Возьмите дерево — это сложный организм. Ветки обеспечивают транспорт необходимых жидкостей. Листья реагируют с солнечным светом и с воздухом, вырабатывая кислород из углекислого газа. Весь этот механизм нацелен на эффективное взаимодействие. Эту сложную иерархию, ориентированную на решение единой задачи, мы можем применить по отношению к каталитическому реактору для переработки побочных продуктов нефтедобычи. 

В структурированных микроволокнистых катализаторах мы используем в качестве носителей обычную стеклоткань. Создаем мелкодисперсные активные центры размером в несколько нанометров. На следующем уровне — это микроволокно катализатора диаметром несколько микронов — возникает задача равномерного распределения активного компонента по поверхности. Далее переходим к ниткам, скрученным из этих волокон. Создаем геометрически структурированную систему. На каждом этапе происходит оптимизация, чтобы обеспечить эффективное сопряжение всех процессов между масштабными уровнями. Такие микроволокнистые катализаторы, собранные в виде структурированных картриджей, превосходят известные нам традиционные формы катализаторов.  

Главное преимущество таких катализаторов — возможность формирования структурированных каталитических картриджей, обладающих уникально высоким соотношением интенсивности массообмена к удельному гидравлическому сопротивлению, а также высокой теплопроводностью. Катализаторы такого типа эффективны и абсолютно оригинальны, у них нет зарубежных аналогов. Они обладают высоким потенциалом как в области импортозамещения, так и в сфере развития высокотехнологичного экспорта.

… и эффект лотоса

Один из подходов, который планируется развивать в Центре природовдохновленного инжиниринга, — методы обработки поверхности с помощью лазерно-индуцированных поверхностных периодических структур.

— Лазерное структурирование позволяет воспроизводить эффект лотоса, — описывает замысел доцент Белорусского государственного университета, эксперт в области природовдохновленных материалов Александр Федотов. — Листья этого растения обладают супергидрофобной поверхностью — они отталкивают воду, а благодаря микробуграм и слою микрокристаллов (размером около 1 нанометра) воска на этих буграх, отталкивают и грязь. С помощью лазерной обработки мы сможем добиться биосовместимости металлов, например, для имплантов. Когда имплант попадает в организм, на поверхности металла должны расти клетки, иначе к нему не будут крепиться ткани, около него не будет нормальной жизнедеятельности. При обработке коротковолновыми лазерами, возникают небольшие неоднородности: их достаточно, чтобы за них уцепились белки, на основе которых вырастают клетки, но недостаточно, чтобы цеплялись бактерии. Кроме того, термический эффект при лазерной обработке залечивает мелкие трещинки.
Центр природовдохновленного инжиниринга уже работает с НПП «Союзгазтехнология», намерен сотрудничать с такими индустриальными корпорациями, как «Газпромнефть НТЦ», Сибур, Ростех, «Микрон», Cognitive Technologies. Пул компаний-партнеров и количество высокотехнологичных научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ будут только расти, уверены в ТюмГУ. 

Однако, как заключили участники дискуссии, только силами и желанием конкретной, пусть даже очень крупной компании, вопросы создания и успешного внедрения новых технологий, в том числе в сфере переработки ПНГ и создания новых материалов, решить невозможно. И мировая практика, и полет Гагарина подтверждают — для научных прорывов нужна поддержка государства.