Какой сорт нефти самый качественный? Тот, в котором меньше серы. Попадая в топливо, сера становится сероводородом и вредит атмосфере. Чтобы сохранить здоровье планеты, нефть очищают с помощью глубокой переработки. При этом после нее сероводорода остается много. Ученые придумали, как элегантно превратить этот побочный продукт в серу, водород и энергию, которой хватит для целого города.
Трудности перевода сероводорода
В сероводороде между водородом и серой слабая химическая связь — слабее, чем в любом другом природном соединении водорода. В теории водород из этого газа можно извлечь с минимальными энергетическими затратами. Причем намного энергоэффективнее, чем с помощью электролиза воды или даже из углеводородов — основного источника для производства водорода в промышленности.
Однако на практике все не так просто. Для полного разложения сероводорода нужна температура 2000 градусов, и даже если удастся полностью его разложить, при охлаждении компоненты с большой вероятностью «соберутся» обратно в сероводород.
В итоге при больших затратах выход водорода составляет всего 20–30%. Если же пытаться разложить не чистый сероводород, а кислый газ — с небольшим содержанием углеводородов и CO2, — то при сильном нагреве примеси будут превращаться в кокс. Он снизит качество получаемой серы и осложнит процесс.
Выйти в ноль
Ученые «Газпром нефти» и Сибирского отделения РАН нашли способ разложить сероводород на полезные составляющие без затрат энергии, используя хемосорбент. Это вещество из сульфида железа, работающее как магнит для серы: ее атомы, содержащиеся в сероводороде, последовательно присоединяются к хемосорбенту. В результате образуются водородсодержащий газ и дисульфид серы. Выделяется тепло.
Мы давно работаем над нестационарными циклическими сорбционно-каталитическими процессами. Они позволяют нам сделать трюк — разбить реакцию на несколько стадий и осуществлять их при разных условиях. Мы исследовали большой спектр каталитических материалов и выяснили варианты условий протекания реакций. Перепробовали много материалов, и сульфид железа оказался оптимальным.
Андрей Загоруйко
Ведущий научный сотрудник Сибирского отделения РАН
Нами предложена принципиальная схема циклически непрерывного процесса. Сейчас мы изучаем его различные параметры, чтобы приступить к масштабированию технологии в промышленных объемах производства.
Павел Коровченко
Руководитель центра научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ «Газпром нефти»
Для регенерации хемосорбента требуется постоянное нагревание. Однако специалисты выяснили, что, изменяя соотношение водорода и воды, можно управлять энергетическим балансом реакции. Если 15% водорода превратятся в воду, а остальные 85% удастся получить в чистом виде, то процесс выйдет на нулевой энергетический уровень. Это означает, что на разложение сероводорода не надо будет тратить энергию: оно будет идти за счет выделяющегося тепла.
Электричество как побочный продукт
Новая технология может изменить подход к производству водорода и серы. При сопоставимых капитальных затратах она экономически выгоднее процесса Клауса — самой популярной технологии извлечения серы из сероводорода путем его окисления, поскольку позволяет получать еще и водородсодержащий газ, который в пять раз дороже серы.
Процесс не требует внешнего энергопотребления в отличие от большинства методов получения водорода, что обеспечивает его углеродную нейтральность. К примеру, для электролиза нужно много электричества, которое по большей части производится за счет сжигания углеводородного топлива.
Технология разложения сероводорода с помощью хемосорбента пригодится на нефтеперерабатывающих и газоперерабатывающих заводах. В нефтепереработке она позволит полностью использовать побочные продукты обессеривания нефти. Газопереработчики смогут применять водород для обогащения природного газа и получения энергии. Например, если Астраханский газоперерабатывающий завод, один из крупнейших в мире производителей серы, который перерабатывает природный газ с высоким содержанием сероводорода (более 30%), начнет производить еще и водород, то в процессе можно будет получать порядка 500–600 мегаватт электроэнергии — столько в среднем потребляет вся Астрахань.
Оригинал статьи и другие материалы об энергетике читайте на сайте журнала «Энергия+».