1. Состояние проблемы
В последнее время активно обсуждается возможность замены ископаемых источников энергии, таких как нефть, уголь, природный газ на водородное топливо. В связи с этим процесс и степень дальнейшего развития многих отраслей мирового промышленного производства все более тесно связываются с уровнем развития технологии водорода.
Перспективным источником водорода являются выбросные или продувочные газы ряда отраслей промышленности, таких как, производство ацетилена, синтез аммиака и метанола, процессы риформинга и крекинга, содержащие достаточно большое количество водорода. Во многих производствах водород используется не полностью, некоторая его часть выводится из процессов или теряется, в лучших случаях используется как низкокалорийное топливо. Концентрирование водорода из выбросных водородосодержащих газовых смесей (ВСГ) различных промышленных производств до технологически необходимого уровня даёт возможность возвращать водород обратно в производство, тем самым, увеличивая мощность и экономическую эффективность производства. С другой стороны, даже при условии утилизации ВСГ путем сжигания, повышение объемного содержания водорода способствует возрастанию энергетического потенциала выбросных газов.
Традиционными и широко распространенными в промышленности методами концентрирования водорода из смесей газов можно назвать криогенный и адсорбционный методы.
Криогенное разделение позволяет получать водород высокой чистоты, однако, на сегодняшний момент применительно к процессу выделения водорода технология является несколько устаревшей, имеет высокую стоимость оборудования, сложность аппаратурного оформления и необходимость поддержки специфических условий процесса (используются температуры близкие к 0° К), длительный пусковой период, большие габариты.
Современные адсорбционные установки позволяют достичь достаточно высокой концентрации водорода (до 99,9999%), но обладают такими недостатками, как низкая мобильность установок, сложное аппаратурное оформление, сложность обслуживания, необходимость регенерации сорбента.
В последние 15-20 лет в промышленности все большее применение находят мембранные способы разделения газообразных смесей, отличающиеся простотой и надежностью (отсутствие движущихся частей, относительно простое аппаратурное оформление), экономичностью (длительный срок службы мембран – 10-15 лет, основные затраты энергии связаны только с компримированием разделяемого воздуха), легкостью варьирования масштаба производства (модульность конструкции современных мембранных аппаратов), высокой мобильностью (возможность создания передвижных установок). Удельные капиталовложения при создании мембранных газоразделительных установок сравнительно невелики, а срок окупаемости их незначителен. С помощью мембранного разделения возможно концентрирование водорода до чистоты 99,9%, а также эффективная работа даже в условиях изменения производительности установки.
2. Производства, в которых предполагается использование технологии
Рассмотрим несколько примеров внедрения мембранной технологии.
Выделение водорода из продувочных газов аммиачных производств
Современные схемы синтеза аммиака – циркуляционные, т.е. часть азотоводородной смеси непрерывно превращается в колонне синтеза в аммиак, который и выводится из установки. В циркуляционных газах растет содержание инертных примесей; – аргона, гелия, криптона, ксенона, что снижает скорость реакции, а следовательно, и технико-экономические показатели процесса. Поэтому часть циркуляционных, так называемых продувочных газов непрерывно выводится из цикла. В современных установках синтеза аммиака оптимальным считается 11-13%-е содержание инертных примесей в циркуляционных газах.
Выделение водорода из продувочных газов вместо сжигания их в качестве низкокалорийного источника тепла позволяет при той же производительности сократить энергозатраты на процесс синтеза аммиака за счет снижения расхода природного и технологического газов (выделенный водород возвращается в технологический процесс)
Выделение водорода из сбросных газов процесса риформинга
Немаловажным является вопрос утилизации отходящих водородосодержащих газов процесса риформинга нефти. Расход этих газов на современных промышленных установках может достигать 20 000 м3/ч. Применение мембранной технологии позволяет решать ряд серьезных задач:
- снижение затрат электроэнергии на предприятии за счет повышения концентрации водорода в сбросных ВСГ, идущих на сжигание в качестве топлива;
- уменьшение расхода исходной ВСГ, используемой в процессе риформинга за счет повышения концентрации водорода в отходящем газе до уровня достаточного для возврата в основной технологический процесс;
- организация на базе предприятия-переработчика нефти получения водорода высокой чистоты путем повышения концентрации водорода до уровня достаточного для дальнейшей, более тонкой очистки водорода от примесей, например адсорбционным методом;
- повышение выхода высокооктанового бензина в процессе риформинга за счет регулярной активации катализатора путем продувки его водородом, выделенным из отходящих газов процесса.
3. Выводы
В России мембранная технология для выделения водорода из выбросных газов уже используется. Основные компании, производящие водородные мембранные установки, НПК «Грасис» и ПАО «Криогенмаш», используют в своем оборудовании покупные импортные мембранные аппараты и позиционируются, таким образом, только как инжиниринговые компании. Стоит отметить, что больше половины стоимости установок составляют затраты на приобретение мембранных аппаратов (в России повсеместно используются импортные аппараты). В мире всего несколько фирм-производителей мембранных аппаратов, применимых для указанной задачи, и, пользуясь практически монопольным положением, эти компании диктуют цены на свою продукцию. Рыночная стоимость таких модулей колоссальна (20-40 тыс. евро) в то время, как затраты на их производство, по нашим оценкам, не превышают 1-3 тыс. евро.
Вполне очевидным и логичным представляется организация собственного производства мембран и мембранных аппаратов для выделения водорода. Средства, направленные на реализацию проекта значительно повышают конкурентоспособность отечественной наукоемкой промышленности и создают благоприятные условия для замещения импортной продукции.
