XI Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2019

С развитием химической промышленности увеличилась потребность в химической продукции, а вместе с ней и необходимость в расширении ресурсно-сырьевой базы. Основным сырьем для нефтехимической промышленности служат продукты переработки нефти и газа. Поскольку запасы нефти в природе достаточно ограничены, ведется поиск путей расширения сырьевой базы нефтехимии и нефтепереработки за счет вовлечения биомассы – возобновляемого сырья растительного происхождения.

Целью исследования является разработка технологии совместной переработки углеродсодержащего сырья растительного происхождения и углеводородсодержащего сырья нефтяного происхождения в синтез-газ с последующей его конверсией в ценные химические продукты. В качестве углеводородсодержащего сырья нефтяного происхождения для исследований были выбраны тяжелые нефтяные остатки - мазут и гудрон, в качестве углеродсодержащего сырья растительного происхождения – растительные отходы агропромышленного комплекса (стержни кукурузных початков и лузга подсолнечника). Использование композитного сырья позволит получить высококалорийный синтез-газ с высоким значением соотношения Н₂/СО, пригодный для синтеза на его основе таких продуктов нефтехимии, как спирты, олефины, ароматические углеводороды и другие.

Основные стадии разрабатываемой технологии совместной переработки углеродсодержащего сырья растительного происхождения (УССРП) и углеводородсодержащего нефтяного сырья (УВСНС) представлены на рисунке 1.

Первая стадия состоит в подготовке сырья с использованием методов волнового (комбинированного электромагнитного и акустического) воздействия и механоактивации. Полученное подготовленное сырье представляет собой растительно-нефтяную суспензию однородного состава, обладающую повышенной активностью к химической и физической деструкции с целью его дальнейшей переработки.

Вторая и третья стадии разрабатываемой технологии – газификация и пиролиз - термодеструктивные процессы переработки подготовленного сырья.

Четвертая и пятая стадии представляют собой каталитические процессы получения ряда нефтехимической продукции конверсией синтез-газа и метанола [1].

Рисунок 1 - Стадии разрабатываемой технологии совместной переработки углеродсодержащего сырья растительного происхождения (УССРП) и углеводородсодержащего нефтяного сырья (УВСНС)

Синтез-газ является одним из важнейших сырьевых ресурсов нефтехимической промышленности. В зависимости от соотношения основных компонентов СО и Н₂ он может рассматриваться как топливный газ различной калорийности, а также как сырье для получения ценных нефтехимических продуктов. К традиционным способам производства синтез-газа относятся газификация угля, конверсия метана и парциальное окисление углеводородов. Рост нефтехимии обусловливает необходимость расширения сырьевой базы и вовлечения альтернативных источников углерода. В этом отношении значительную актуальность представляет возможность рационального использования многотоннажных некондиционных ресурсов, таких как, тяжелые нефтяные остатки, нефтешламы, а также бытовые и сельскохозяйственные отходы.

Проведенные аналитический обзор литературы и патентные исследования показали [2-3], что имеется большой опыт крупномасштабного промышленного использования таких технологий деструктивной переработки углеродного сырья, как газификация и пиролиз. Сравнительная оценка эффективности различных вариантов указанных технологий позволила сделать вывод, что известные технологические решения и методы разработаны только для переработки отдельно или нефтяных остатков, или растительного сырья. Отсутствие данных о технологиях, позволяющих совместить переработку нефтяных остатков и растительного сырья в едином технологическом цикле, обусловливает целесообразность самостоятельного проведения теоретических и экспериментальных исследований.

Современные технологии процесса пиролиза могут быть разделены по следующим основным характерным признакам: скорость нагрева (быстрый, медленный пиролиз); среда, в которой происходит пиролиз (вакуумный, гидропиролиз, метанопиролиз). Характеристики основных технологий пиролиза обобщены в таблице 1.[5]

Таблица 1 - Характеристики основных технологий пиролиза

Характеристики	Быстрый пиролиз, низкие температуры	Быстрый пиролиз, высокие температуры	Медленный пиролиз	Карбонизация
Время процесса	1с	1 с	5-30 мин	часы, дни
Размер сырья	малый	малый	средний	большой
Влажность сырья	очень низкая	очень низкая	низкая	низкая
Температура, °С	450-600	650-900	500-700	400-600
Давление, кПа	100	10-100	100	100
Газ:
выход, % массы сухого сырья	до 30	до 70	до 40	до 40
теплота сгорания, МДж/нм3	10-20	10-20	5-10	2-4
Жидкость:
выход, % массы сухого сырья*	до 80	до 20	до 30	до 20
теплота сгорания, МДж/кг	23	23	23	10-20
Твердое вещество:
выход, % массы сухого сырья	до 15	до 20	20-30	30-35
теплота сгорания, МДж/кг	30	30	30	30

* Количество жидкости с учетом воды реакции и влаги сырья

В настоящее время быстрый пиролиз утвердился как технология прямой термохимической конверсии биомассы со значительным потенциалом, особенно для высокого выхода жидкого топлива и химических продуктов [4]. Этот тип пиролиза используется для получения максимального количества либо газа, либо жидкости в соответствии с установленной температурой процесса. Низкотемпературный быстрый пиролиз позволяет максимизировать долю жидкого продукта. Анализ результатов пиролиза биомасс показывает, что наиболее близким с точки зрения основных параметров – вида сырья, условий процесса, особенностей продуктов, которые должны быть получены, является технология быстрого низкотемпературного пиролиза, поэтому она принята за прототип в настоящей работе.

Проведенные теоретические исследования позволили разработать предварительные технологические схемы отдельных стадий разрабатываемой технологии совместной переработки УССРП и УВСНС.

Предварительная технологическая схема процесса окислительного пиролиза сырья представлена на рисунке 2. Пиролиз позволяет получать наряду с синтез-газом смолу пиролиза, которая может использоваться как сырье для производства полициклических ароматических углеводородов, технического углерода, полимерных смол.

Рисунок 2 - Предварительная технологическая схема окислительного пиролиза сырья с получением смолы пиролиза и синтез-газа

1 – подача сырья

2 – окислительный пиролиз сырья

3 – подача подвода тепла (нагрев до 500-80

4 – подача воздуха

5 – сбор золы

6 – охлаждение газов окисления

7 – отвод тепла (охлаждение до 20

8 – сепарация

9 – сбор смолы пиролиза

10 – очистка синтез-газа фильтрованием

11 – отвод тепла (охлаждение до 60

12 – вывод синтез газа

Сырье, представляющее собой подготовленную активированную смесь растительного сырья и нефтяных остатков, подается на окислительный пиролиз, где за счет подачи воздуха происходит окислительная конверсия органической массы. Аппаратурное оформление процесса должно обеспечить оптимальную температуру (500-800 ) за счет организации подвода тепла и самостоятельного выделения тепла в ходе процесса окисления, а также сбор побочного продукта – золы. Процесс окислительного пиролиза проводится при атмосферном давлении. 

Образующиеся газы окисления подвергаются охлаждению до температуры 200 и после этого поступают на сепарацию, где происходит осаждение и накопление смолы пиролиза. Далее газообразные продукты реакции направляются на очистку фильтрованием с целью отделения от них твердых частиц. При этом также осуществляется доохлаждение газов до температуры 60 . 

Полученный газообразный продукт представляет собой очищенный синтез-газ, который может служить сырьем для получения разнообразной нефтехимической продукции.

Результаты, полученные на первом этапе прикладных научных исследований, служат основой для проведения дальнейших экспериментальных исследований, направленных на подбор оптимальных условий и режимов процессов подготовки и переработки композитного сырья в синтез-газ с последующей его конверсией в ценные химические продукты.

Литература:

Ясьян Ю.П., Косулина Т.П., Нисковская М.Ю. Совместная переработка отходов агропромышленного комплекса и нефтяных остатков в химическую продукцию/ В сборнике: Инновационные пути решения актуальных проблем природопользования и защиты окружающей среды: материалы докладов Международной научно-технической конференции, Алушта, 04-08 июня 2018, С. 212-217.

Передерий С. – ЛесПромИнформ. – 2013. – № 6. – С. 152–156.

Золотухин В. А. – Сфера Нефтегаз. – 2012. – № 4. – С. 70–75.

Рахманкулов Д.Л., Вильданов Ф.Ш., Николаева С.В., Денисов С.В. Успехи и проблемы производства альтернативных источников топлива и химического сырья. Пиролиз биомассы // Башкирский химический журнал. 2008. – Том 15. – №2. – С. 36-52.

Гориславец С.П. Пиролиз углеводородного сырья/ С.П. Гориславец, Д. Н. Тменов, В.И. Майоров; АН УССР, Ин-т газа. - Киев: "Наук. Думка", 1977. - 307с.

Код для цитирования: Скопировать