Некоторые аспекты проектирования крупнотоннажного производства Метанола в суровых климатических районах РФ. Некоторые аспекты производства метанола. Бурковский Андрей Петрович Некоторые аспекты проектирования крупнотоннажного производства Метанола в суровых климатических районах рф доклад

• Название: Бурковский Андрей Петрович Некоторые аспекты проектирования крупнотоннажного производства Метанола в суровых климатических районах рф доклад
• Анкор: Некоторые аспекты проектирования крупнотоннажного производства Метанола в суровых климатических районах РФ
• Дата: 02.06.2022
• Размер: 68.56 Kb.
• Имя файла: Некоторые аспекты производства метанола.docx
• Тип: Доклад; #564613

Бурковский Андрей Петрович
Некоторые аспекты проектирования крупнотоннажного производства Метанола в суровых климатических районах РФ

Доклад



Метанол – один из важнейших продуктов органического синтеза, на основе которого базируется производство множества химических соединений. Он является сырьем при производстве формалина, формальдегида, уксусной кислоты, диметилтерефталата, метилметакрилата, полиамида и других важных продуктов химической индустрии. На основе метанола производятся антидетонационные присадки к бензинам.

МТБЭ (метилтретбутиловый эфир) повышает качество и октановое число бензина.

Метанол также используется в производстве протеина, ядохимикатов и многих других важных продуктов. 

Метанол применяется для предотвращения гидратообразования в магистральных газопроводах и подземных газохранилищах при низких температурах воздуха.

В мире спрос на метанол осуществляется в основном по трем направлениям:

• 
  производство формальдегида 35%;
  
• 
  производство МТБЭ 25%;
  
• 
  производство уксусной кислоты 10%.
  

Формальдегид и уксусную кислоту используют для производства волокон, пластиков и строительных материалов, таких как ДСП и фанера. Способ получения уксусной кислоты из метанола становится все более популярным и вытесняет другие, что также увеличивает спрос на метанол, в то время как спрос на МТБЭ начинает падать в связи с принятой в США программой замены его на этиловый спирт, что заставляет производителей искать новые пути его использования в качестве конкурентоспособного сырья, как например, для получения олефинов, диметилового эфира, в силовых установках и топливных элементах.

В 2017 году в мире потребление метанола не превысило 80 млн. т, однако эксперты ожидают положительную динамику как минимум в течение ближайших пяти лет. Таким образом, к 2021 г. мировой спрос на метанол может достигнуть 117 млн. т.

В региональном разрезе бесспорным лидером по объемам потребления является и будет оставаться Азия, а прежде всего – Китай. Если в прошлом году спрос китайских предприятий на метанол составил 50 млн. т, то уже к 2021 г. он преодолеет отметку в 80 млн. т (и свыше 90 млн. т в целом по Азии). Производство же в Азии, как отмечают эксперты, достигнет потолка – а это около 88 млн. т – в 2019 г., дальнейшее развитие потребляющих отраслей будет обеспечиваться импортом.

В связи с этим, наращивание мощностей по производству метанола в России, направленных на азиатского потребителя представляется весьма перспективной задачей, особенно для сравнительно небольших газодобывающих компаний, которые, для монетизации своих запасов вынуждены прибегать к строительству крупных газохимических комплексов.

Одной из таких компаний является ЯТЭК, которая в 2017 году сообщила о намерении построить крупнейший завод по производству метанола в России и выйти на лидирующие позиции в этой сфере.

Предусматривалось поэтапное строительство двух технологических линий соответственно по 5000 т/сутки с реализацией на 1 этапе строительства объектов ОЗХ. Таким образом, суммарная мощность производства должна составить в конечном итоге 3,5 млн. т метанола в год.

Следует отметить, что в 2017 году в России было всего произведено порядка 4,1 млн. тонн метанола. Основными игроками на рынке являются на данный момент компании: «Метафракс» (1,15 млн.т), «Сибметахим» (0,9 млн. т) и «Томет» (0,78 млн. т). Таким образом, приняв что текущая ситуации на рынке изменится незначительно, очевидно, что ЯТЭК стал бы ключевым производителем метанола в России.

Технико-экономическое обоснование инвестиций строительства комплекса по производству метанола на промплощадке в Якутии (Республика Саха) было выполнено в 2 этапа.

На первом этапе предстояло выбрать конфигурацию объекта на основании представленных технико-коммерческих предложений фирм-лицензиаров. Компании Amec Foster Wheller, как основному проектировщику, предстояло выбрать лицензиара технологии производства метанола, а подрядчики занимались выбором площадки для строительства, разработкой вариантов прокладки газопровода, а также проработкой конфигурации объектов ОЗХ на основе анализа данных, представленных в ТКП лицензиаров.

2-ый этап работ включал в себя проработку выбранной на первом этапе конфигурации объекта, а именно:

• 
  Разработку принципиальных технологических схем блоков вспомогательных систем (UFD);
  
• 
  Описание технологического процесса;
  
• 
  Перечень оборудования объектов ОЗХ;
  
• 
  Сводные данные по выбросам и сбросам;
  
• 
  Системы электроснабжения;
  
• 
  Информационная система комплекса;
  
• 
  Данные о потребности персонала;
  
• 
  Расчёт общего Объёма Капитальных Вложений на строительство объектов ОЗХ и внеплощадочных объектов.
  

Планировка производственной зоны выполнена в пяти вариантах по предоставленным компоновочным решениям фирм-лицензиаров:

1. 
   Air Liquid
   
2. 
   Casale
   
3. 
   Haldor Topsoe AS
   
4. 
   ТhyssenКrupp IS
   
5. 
   Johnson Matthey
   

Данные компании являются ведущими мировыми лидерами в создании технологий по получению метанола и предлагают высокотехнологичные и энергоэффективные агрегаты сразу для нескольких вариантов мощностей. В настоящее время мощность 10 000 т/сутки не реализована ни одним из лицензиаров метанола. Хотя фирмы-лицензиары считают возможным конструирование автотермической установки риформинга, способного вырабатывать синтез-газ для получения метанола в количестве 10000 т/сутки, но в настоящее время практический предел ограничивается объемом производства кислорода и составляет 7 000 т/сутки.

В результате анализа технико-экономических показателей, рисков, а также практической реализации подобных проектов был выбран лицензиар Haldor Topsoe.

Установка по производству метанола, производительностью 5000 т/сутки по технологии Haldor Topsoe включает в себя 2 последовательные стадии:

1. 
   Получение синтез-газа посредством риформинга природного газа (последовательная комбинация предриформинга и автотермического риформинга с добавлением кислорода, производимого воздухоразделительной установкой – ВРУ).
   
2. 
   Синтез метанола.
   

В свою очередь, первая стадия (получение синтез-газа) подразделяется на:

• 
  Сероочистку. Очистка природного газа от сернистых соединений предусматривается для исключения «отравления» катализаторов предриформинга и автотермического риформинга, а также для исключения коррозии трубопроводов и аппаратов и, как следствие, ухудшения качества продукции и включает в себя гидрирование (связывание всех серосодержащих компонентов в H₂S) и последующую абсорбцию H₂S цинкоксидным поглотителем.
  
• 
  Риформинг. Соотношение пар/углерод в технологическом газе, поступающем из секции сероочистки, доводят до примерно 0,53 путем добавления пара СД. В реакторе предриформинга все высшие углеводороды превращаются в смесь метана, водорода, оксида углерода и диоксида углерода путем адиабатического парового риформинга. Химические реакции, протекающие в реакторе АТР представляют собой комбинацию реакций сгорания и парового риформинга. ATR является футерованным сосудом высокого давления с горелкой, камерами сгорания и слоем катализатора. Температура синтез-газа на выходе из ATR равна 1030 ° C.
  
• 
  Охлаждение синтез-газа. Газ, приходящий с секции риформинга охлаждается, далее происходит отделение технологического конденсата, а синтез-газ направляется в секцию синтеза метанола.
  

Вторая стадия (синтез):

• 
  Компрессия синтез-газа в центробежном компрессоре с паровой конденсационной турбиной в качестве привода.
  
• 
  Синтез метанола осуществляется по циркуляционной схеме при температуре 250-260 °С и давлении 89-90 бар изб. с использованием тепла реакции синтеза для выработки пара среднего давления для технологических нужд установки. Синтез-газ из метанольного реактора охлаждают, конденсируют и метанол-сырец направляют в резервуары.
  
• 
  Ректификация. Метанол-сырец направляют на секцию ректификации (3 последовательно работающие колонны) для удаления растворенных газов, высших спиртов, и далее готовый продукт направляют на склад метанола.
  

В результате проработки технической части и исходя из состава основного производства, выявлен единый перечень вспомогательных и инфраструктурных объектов ОЗХ, которые в свою очередь разделены на несколько зон:

• 
  тит. 5000 – Вспомогательные установки;
  
• 
  тит. 6100 – Складская зона;
  
• 
  тит. 6300 – Противопожарная система;
  
• 
  тит. 6400 – система электроснабжения;
  

В рамках подготовки технико-экономического обоснования данного проекта отдельное внимание стоит уделить нескольким установкам, которые наша технологическая группа прорабатывала с особой тщательностью.

Для строительства комплекса по производству метанола была выбрана площадка, расположенная южнее п. Нижний Бестях между автодорогами А-360 «Лена» и Р-502 «Амга», на север от ст. Нижний Бестях.

Существующий газопровод, к которому планируется подключение проектируемой установки, расположен южнее г. Павловск, в районе ж.д.станции Нижний Бестях. Необходимо проложить около 11,0 км трубопровода для осуществления транспортировки газа к производству метанола.

Подвод воды предполагается с водозабора на р. Лена.

Когенерационная установка получения пара СД

Для электроснабжения комплекса производства метанола предполагается строительство электростанции собственной генерации (ЭСГ) в качестве основного источника питания, а ввод от энергосистемы ограниченной мощности (40 МВт от существующих сетей ПАО «Якутскэнерго») используется как резервный источник.

Предполагаемая электрическая мощность комплекса метанола по первому этапу не более 30 МВт, на втором этапе (I этап + II этап) не более 50 МВт.

Для технологических нужд необходимо использование тепла электростанции для выработки пара СД (Р= 41 атм (изб.) Т=460° С) в количестве от 40 до 80 т (первого и второго этапа) с запасом 10 %.

Для реализации данного решения при реализации первого этапа строительства были проработаны и предложены заказчику несколько вариантов:

1. 
   Система из двух параллельно работающих паровых турбин с двумя независимыми генераторами по 15 МВт каждый. В качестве исходного сырья используется перегретый пар СД от установки Вспомогательного котла с параметрами 41-460. Помимо выработки электроэнергии, в сеть предприятия выдается пар СД для закрытия дисбаланса по пару.
   

Особые условия строительства в условиях вечной мерзлоты предполагают баланс между весом котла и его производительностью.

В пусковом режиме котлы в совокупности выдают 220 тн/ч пара СД.

В этом случае не требуется перераспределение мощности одного вспомогательного котла на минимальных параметрах работы для покрытия дисбаланса паровой системы.

2. 
   Система из двух последовательно работающих паровых турбин с одним рабочим генератором 30 МВт и резервным. В качестве исходного сырья используется перегретый пар ВД от установки Вспомогательного котла с параметрами 102-540. Помимо выработки электроэнергии, в сеть предприятия выдается пар СД для закрытия дисбаланса по пару после 1-й ступени турбины, вторая ступень является конденсационной.
   

В этом случае предполагается снижение затрат на установку 2-го котла, но увеличение затрат на водоподготовку. Кроме того, подобная система поставляется в законченном архитектурном и технологическом исполнении как блок ТЭС, что требует определенного уровня подготовки обслуживающего персонала.

3. 
   Когенераторная газопоршневая установка, состоящая из 4 генераторов по 9,312 МВт каждый, работающая на природном газе. Недостатком данного варианта является неполное покрытие дисбаланса по пару, часть пара необходимо будет получать с установки вспомогательного котла в постоянном режиме, что предполагает установку дополнительного котла на 30-40 тн/ч пара СД или работу одного из пусковых котлов с нагрузкой 20-30%.
   
4. 
   Когенераторная газотурбинная установка, состоящая из 4 генераторов по 7,9 МВт каждый, работающая на природном газе. Данная установка позволяет получать требуемое для закрытия баланса количество пара СД без необходимости использования вспомогательного котла, что в значительной мере позволит сократить затраты. Данное решение базировалось на известных и апробированных в РФ установках Siemens.
   

При выборе решения по применимости вариантов к установке на конкретном производстве принимались к сведению: КПД установки (КПД парового цикла 23-60% - обычно не более 50% (наши расчеты до 40%), при использовании парового цикла с ГТУ до 68%), сложность реализации, затраты на энергоресурсы и обслуживание, возможные риски в случае непредвиденных ситуаций.

В итоге выбрана к реализации установка Siemens как наиболее приемлемый вариант из предложенных.

Следует отметить, что все прорабатываемые варианты были просчитаны в программном комплексе Аспен+, а на когенераторные установки получены ТКП.

Блок термической утилизации паров метанола

Налив метанола предусмотрен в ж/д цистерны модели 15-6880 грузоподъемностью 73 т, полным объемом котла 88 м³, способ налива – верхний герметичный.

Для обезвреживания паров метанола при «дыхании» емкостей в процессе налива метанола, а также при заполнении склада продукционным метанолом, используется блок термической утилизации с дополнительной опцией – предварительной конденсацией паров метанола в холодильной машине с выносным конденсатором. Для возврата большей части метанола обратно в процесс очистка выбросов в данном варианте осуществляется в две стадии: конденсация основной доли паров метанола в конденсационном контуре; сжигание остаточных паров метанола в установке термического окисления в период налива в ж/д цистерны.

Первая ступень очистки представлена взрывозащищенной холодильной машиной, контуром циркуляции этиленгликоля и пластинчато-трубчатым конденсатором. Расчетная эффективность конденсации в зависимости от окружающих условий может достигать 90%. Конденсат паров метанола направляется в хранилище метанола-сырца на повторную переработку в качестве сырья.

Второй ступенью очистки для утилизации остаточных паров метанола выступает блок термической утилизации. Пары метанола от источников выбросов подаются на блок дожига, где в результате реакций высокотемпературного окисления с большим избытком воздуха на выходе из установки образуются дымовые газы, содержащие оксиды углерода и воду.
Факельная установка

В проекте предусмотрена закрытая факельная система (называемая также наземными факелами, факелом для густонаселенных районов или «факелом термического окисления»). Данная система имеет множество преимуществ по сравнению с высотными (открытыми) факельными системами.

Основными достоинствами закрытых факельных систем являются:

• 
  отсутствие дыма;
  
• 
  отсутствие пара;
  
• 
  отсутствие видимого пламени;
  
• 
  отсутствие запаха;
  
• 
  низкий уровень шума;
  
• 
  отсутствие теплового излучения;
  
• 
  безопасное и надежное уничтожение любых жидких и газообразных отходов.
  

Цикл «нулевого сброса».

При эксплуатации производства метанола имеют место постоянные и периодические сточные воды. Проектируемый объект характеризуется как объект с «нулевым расходом жидкости». То есть все сточные воды направляются на проектируемые очистные сооружения, и после очистки используются для получения деминерализованной воды.

Сброс сточных вод комплекса в поверхностные и подземные водные объекты исключается. Данные решения применены НКО впервые и основываются на тонком расчете ионного баланса установки очистки с экспертной оценкой от производителей установок и анализом производственной базы в РФ.

Газовые выбросы не превышают нормативных показателей, а твердые отходы будут периодически вывозиться с предприятия для утилизации.

Немаловажный факт в пользу строительства подобных крупных химических комплексов – это не только появление новых рабочих мест, но и развитие инфраструктуры близлежащих населенных пунктов. В частности, проектом предусмотрено обеспечение питьевой водой и электроэнергией поселков Н. Бестях и Павловск.

Для возможности поставок электроэнергии в близлежащие населенные пункты предусматриваются следующие технические решения:

• 
  в распределительном устройстве 10 кВ, расположенном на территории комплекса метанола будут предусмотрены резервные ячейки.
  
• 
  строительство воздушных линий с защищенными проводами (ВЛЗ-10 кВ) от комплекса производства метанола до поселков Нижний Бестях и Павловск.
  
• 
  в поселках Нижний Бестях и Павловск будут установлены новые понижающие подстанции 10/0,4 кВ и при необходимости будут модернизированы существующие подстанции с возможностью переподключения на вновь проектируемые вводы.
  

Однако, несмотря на неоспоримые преимущества в пользу реализации данного проекта есть очень много противников, настроенных крайне отрицательно как с экологической, так и с экономической точек зрения, и пока окончательное решение вопроса о дальнейшем продвижении завода еще не принято.

Но несмотря на это, хочется отметить, что опыт, полученный при разработке ТЭО для данного проекта, а также современные технические решения, прорабатываемые в процессе подготовки отчетной документации, несомненно пригодятся в будущем на самых различных стадиях при проектировании новых объектов меньшей, а возможно даже и большей производительности.

Литература

1. 
   Материалы конференции «Метанол-2017». - Москва, 2017.
   
2. 
   И.И. Подольский, А.Н. Булкатов, Л.К. Петровская. Метанол как источник энергии. Проблемы безопасности использования. – Экология и промышленность России, 2007.
   
3. 
   А.Н. Булкатов. Переработка газового углеводородного сырья в етанол – одно из важнейших направлений развития нефтехимии. – Экология и промышленность России, 2008.
   
4. 
   Базовый проект