Transcript Плазменно - мембранная переработка сероводорода с

«Плазменно-мембранная технология переработки
сероводорода в водород и серу»
С.В.Коробцев
Национальный исследовательский центр «Курчатовский институт»
Институт водородной энергетики и плазменных технологий
123182, Москва, Россия
www.kiae.ru
e-mail: [email protected]
1
НЕРАВНОВЕСНЫЙ ПЛАЗМОХИМИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС РАЗЛОЖЕНИЯ СЕРОВОДОРОДА
КОНЦЕПЦИЯ
 Использование плазменных и плазменных и плазменномембранных процессов позволяет модернизировать традиционные
и создавать совершенно новые высокоэффективные технологии
производства водорода из различного сырья: воды, сероводорода,
широкого класса углеводородов (в том числе – природного газа) и,
даже, угля
 Плазменные процессы отличаются высокой удельной
производительностью (по сравнению с каталитическими), низкой
металлоемкостью, безинерционностью и экологической чистотой
 В частности - плазменный подход позволяет эффективно
производить водород как продукт, наряду с серой, в разнообразных
процессах переработки сероводородсодержащих газов
2
НЕРАВНОВЕСНЫЙ ПЛАЗМОХИМИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС РАЗЛОЖЕНИЯ СЕРОВОДОРОДА
КОНЦЕПЦИЯ
ДИССОЦИАЦИЯ СЕРОВОДОРОДА В ПЛАЗМЕ:
H2 S → H2 + Ssol
МИКРОВОЛНОВОЙ
ПЛАЗМЕННЫЙ РЕАКТОР
СХЕМА ПРИМЕНЕНИЯ ПРИ СЕРООЧИСТКИ НЕФТИ
H2 RecycleH2
РЕЦИКЛ
H2S Recycle
нефть
сероочистка
H2S
Очищенная
нефть
ПЛАЗМО
ТРОН
Блок выделения
H2
H2
MW
СЕРА
ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ ЦЕНА 1 M3 H2 И 1.4 кГ СЕРЫ
1кВт*час
3
НЕРАВНОВЕСНЫЙ ПЛАЗМОХИМИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС РАЗЛОЖЕНИЯ СЕРОВОДОРОДА
НАУЧНЫЙ ЗАДЕЛ
СВЧ РАЗРЯД
ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ ЦЕНА РАЗЛОЖЕНИЯ H2S
ВЧ РАЗРЯД
Лабораторные эксперименты: точки – 1-2kW RF и MW разряды; 1,2 – теория для
абсолютной и идеальной закалки соответственно, 3,4 – теоретический предел для
центробежного эффекта
 Использование неравновесного центробежного эффекта в
микроволновом разряде с закруткой газа и сверхидеальной
закалкой в послеразрядной зоне позволила реализовать
процесс с низкими энергозатратами ~ 1 кВт*час/(м3 Н2 + 1,4 кГ
серы)
4
УПРОЩЕННАЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ СХЕМА БЛОКА СЕРООЧИСТКИ в НЕФТЕПЕРЕРАБОТКЕ
ТРАДИЦИОННАЯ ТЕХНОЛОГИЯ
Refinery
fuel gas
Очищенная
нефть
БР
HDS
Воздух (O2)
«кислый»
газ
Воздух Топливо
Установка
Клауса
Tail gas
SCOT unit
H2
Сера
БР
H2S rich gas
Нефть
H2
Incenerator stack
Отходящие
газы
HDS – реактор гидрообессеривания
БР – блок разделения (аминовый)
«кислый» газ : H2S, CO2, H2O
Refinery fuel gas: H2, CH4, C2-C5
Tail gas: H2S, COS, CS2, CO2
5
УПРОЩЕННАЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ СХЕМА БЛОКА СЕРООЧИСТКИ в НЕФТЕПЕРЕРАБОТКЕ
с ПЛАЗМЕННЫМ РЕАКТОРОМ
Sweet Refinery cut
Электроэнергия
S
HDS
реактор
Блок
Разделения
(аминовый)
H2S
«кислый»
газ
H2
H2+H2S
Refinery cut
Плазменный
реактор
Блок
разделения
H2
Сера
6
ПРОЦЕСС ДИССОЦИАЦИИ СЕРОВОДОРОДА В ПЛАЗМЕ
БЛОК СХЕМА УСТАНОВКИ
Мощность 100 кВт, производительность ~ 100 м3/ч Н2S
Водород + H2S
Кр
Водород
очищенный
П-1
П-1 П-2
Ф-1
Водород
неочищенный
ЭФ-1
CК-2
ПХР
Р-1
CК-1
сера
Т-1
Н
К-1,2 - колонны аминовой очистки;
П-1 – ВЧ - плазмотрон;
СК-1, СК-2 - конденсаторы серы;
ПХР – плазмохимический реактор
(П-1 + СК-1);
ЭФ-1 – электрофильтр - уловитель
аэрозольной серы;
С-1 - емкость парового
конденсата;
С-2 - емкость жидкой серы;
Н - насос;
Кр - компрессор;
сера
Т-1 – паровой подогреватель;
Р-1 – регулятор расхода, давления.
Ф-1 – фильтр очистки от амина, капельной влаги и механических
примесей (при необходимости)
7
ПЛАЗМОХИМИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ПЕРЕРАБОТКИ СЕРОВОДОРОДА
ОСНОВНЫЕ ДОСТОИНСТВА
1. Полное извлечение водорода для его повторного использования в
цикле гидроочистки нефти от серы
2. Практически полный отказ от производства водорода для целей
гидроочистки: снижение потребления природного газа и снижение
выброса СО2
3. Практически полное отсутствие экологически вредных выбросов
SO2, COS, CS2 и др.
4. Высокая удельная производительность и низкая материалоемкость
оборудования
5. Резкое снижение числа стадий и переделов по сравнению с методом
Клауса
6. Плазменная технология выгодно отличается от технологии Клауса в
отношении как капитальных, так и эксплуатационных затрат
8
НЕРАВНОВЕСНЫЙ ПЛАЗМОХИМИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС РАЗЛОЖЕНИЯ СЕРОВОДОРОДА
МАСШТАБИРОВАНИЕ
50 кВт БЛОК
5 кВт БЛОК
1МВт ИСПЫТАТЕЛЬНЫЙ СТЕНД В МОСКВЕ
9
НЕРАВНОВЕСНЫЙ ПЛАЗМОХИМИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС РАЗЛОЖЕНИЯ СЕРОВОДОРОДА
МАСШТАБИРОВАНИЕ И ОБОРУДОВАНИЕ
ПОЛНОСТЬЮ МЕТАЛЛИЧЕСКИЙ ПЛАЗМЕННЫЙ РЕАКТОР
• Микроволновой плазмотрон;
• Частота 0.915 ГГц;
• Мощность 400 кВт;
• Процесс – разложение H2S;
• Производительность 400 м3/час
Было разработано оборудование для блока мощностью 5 MВт
10
НЕРАВНОВЕСНЫЙ ПЛАЗМОХИМИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС РАЗЛОЖЕНИЯ СЕРОВОДОРОДА
МАСШТАБИРОВАНИЕ: ИТОГИ
СРЕДНЯЯ МОЩНОСТЬ УСТАНОВКИ КЛАУССА-СКОТТА СООТВЕТСТВУЕТ
5MВт МОЩНОСТИ ПЛАЗМЕННОГО БЛОКА
11
НЕРАВНОВЕСНЫЙ ПЛАЗМОХИМИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС РАЗЛОЖЕНИЯ СЕРОВОДОРОДА
УСТАНОВКА В ОРЕНБУРГЕ
ВНЕШНИЙ ВИД ЗДАНИЯ УСТАНОВКИ
РАЗРЯД
ПОЛНАЯ ТЕХНОЛОГИЧЕКСАЯ ЦЕПОЧКА: ПЛАЗМЕННОЕ РАЗЛОЖЕНИЕ;
СБОР СЕРЫ; РАЗДЕЛЕНИЕ ГАЗОВЫХ ПРОДУКТОВ; ФИНИШНАЯ ОЧИСТКА
ВОДОРОДА
12
УСТАНОВКА ПЛАЗМОХИМИЧЕСКОЙ ПЕРЕРАБОТКИ СЕРОВОДОРОДА
КОНТЕЙНЕРНЫЙ ВАРИАНТ
ПЛАЗМОХИМИЧЕСКИЙ РЕАКТОР
БЛОКИ ПИТАНИЯ
БЛОКИ МЕМБРАННОГО РАЗДЕЛЕНИЯ
13
НЕРАВНОВЕСНЫЙ ПЛАЗМОХИМИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС РАЗЛОЖЕНИЯ СЕРОВОДОРОДА
РЕЗУЛЬТАТЫ АНАЛИЗА ЭКОНОМИКИ
0.0
3.0
1
2
3
-0.5
2.5
-1.5
-2.0
-2.5
2.0
$ mln. / year
$ mln. / year
-1.0
1.5
1.0
-3.0
0.5
-3.5
0.0
Затраты на переработку сероводорода в расчёте
на производительность установки 1000 нм3/час:
(1) методом Клауса Скота;
1
2
Выигрыш по сравнению с методом Клауса Скота
при переработке сероводорода плазмохимическим
методом на основе ВЧ-разряда
(2) плазмохимическим методом на основе ВЧразряда с ламповым источником питания;
(1) ламповый источник питания
(3) плазмохимическим методом на основе ВЧразряда с тиристорным источником питания
в расчёте на производительность установки 1000
нм3/час
(2) тиристорный источник питания
14
СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ !
15