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从油井中回收天然气

小规模系统将其转化为液体

南希·w·Stauffer · 2014年12月15日 · 想要

概述

麻省理工学院的一个团队正在开发一种将天然气转化为易于运输的液体燃料的小型系统,这种设计特别适合在石油钻探现场使用,那里泄漏的天然气被燃烧或排放。为了缩小尺寸和降低成本,研究人员正在对传统的、大规模生产的发动机进行转换过程的关键步骤。为了将成本、复杂性和维护需求降至最低——这对偏远地区的安装来说非常重要——他们正专注于生产甲醇,这是一种用途迅速扩大的简单化学品。大量的建模研究和发动机实验证实了该工艺的技术可行性,并表明,在某些情况下,生产甲醇的成本可以与大型常规甲醇工厂的成本相竞争。该系统的试验规模将很快开始。


当天然气从油井中冒出时,通常会被烧掉(“燃烧”),因为没有经济的方式将其运输到市场上。据估计,全世界燃烧的天然气总量相当于美国总消费量的四分之一。在尼日利亚、俄罗斯和北达科他州的夜间卫星图像中,燃烧的天然气看起来就像明亮的城市灯光,而它们并不属于这些地方。燃烧将温室气体排放到大气中,浪费宝贵的资源——当附近的人可能使用煤炭、生物质或粪便做饭和家庭取暖时,这是一个特别值得关注的问题,通常会造成严重的室内空气污染和健康后果。万博体育平台网页

公司现在经营着将天然气转化为液体燃料的工厂,这些液体燃料可以通过卡车、火车或轮船运输。这些工厂技术先进,资金密集,维护费用高,而且——为了降低产品成本——规模庞大,尤其是在生产某些类型的柴油时。因此,它们不适合部署在天然气产量小的偏远地区。

为了解决这个问题,Dr。莱斯利:他是等离子体科学与聚变中心的首席研究工程师。丹尼尔•科恩麻省理工学院的多学科合作团队正在开发一种小型、低成本、低156manbetx.com维护的“气液转换”系统。虽然规模经济有利于大型工厂,但它们正在用一种不同的方法降低单位成本。项目负责人布朗伯格表示:“我们希望通过使用我们已经大量生产的东西来节省生产成本,而不是让工厂变大。”

他们的目标是转化装置,这是一种将天然气或沼气从有机来源转化为一氧化碳和氢气的混合物的装置,称为合成气,或“合成气”,合成气是化学反应器的原料,可以产生所需的液体产品。他们的计划是:用一种小型的、成熟的、可大规模生产的技术——即无所不在的发动机——取代通常昂贵的改进型发动机,并利用“发动机改进型”来降低整个系统其他部件的成本。

布朗伯格和科恩已经研究发动机数十年了,他们尝试了一些创造性的方法,使它们运行起来更高效、更清洁。对布罗姆伯格来说,运转中的发动机气缸内的环境似乎是生产合成气的理想环境,适合小规模的气体液化工厂:瞬态的高温和压力将刺激必要的化学反应,而不需要昂贵的催化剂。基于发动机的改革者将是紧凑的;它可以很容易地与小型化学反应器集成;而且很便宜。“我们每年生产数亿台发动机,”布朗伯格说。“所以问题是:我们能否实现一种基于发动机的技术,来完成将气体转化为液体所需的化学过程?”

最初,这项研究集中在制造柴油上,柴油是一种有多种用途的宝贵燃料。然而,将合成气转化为柴油的化学反应器涉及到蜡质物质,需要持续监控——这对于远程安装来说是不可能的。因此,研究人员将注意力转向了甲醇,这是由甲烷(天然气的主要成分)制成的最简单的燃料。Cohn说:“柴油是大型复杂分子的混合物,所以你需要一个复杂的系统来处理所有涉及到的化学物质。”"当你制造甲醇时,你只是制造甲醇。该反应堆更简单、更高效,需要的监控和维护也更少。”

甲醇的需求预计将在今后十年迅速增长。今天,它被广泛用作生产其他化学品的原料。在中国,它是由煤制成的,以低浓度与汽油混合的方式用于汽车。它慢慢获得注意力作为替代汽油,它可以很容易地转化为二甲醚(测距装置),它可以(很像丙烷)作为清洁燃料做饭和家庭取暖和潜在操作卡车和拖拉机,在发展中国家很常见。

甲醇生产用新型发动机改造系统的原理图

在这种新型系统中,天然气被净化后送入一个小型压缩机,在那里与富氧空气混合。然后,燃料-氧气混合物进入发动机重整器,在那里,发动机气缸内的高压和高温驱动化学反应,形成合成气,一种氢气和一氧化碳的混合物。调整其温度和组成后,合成气被送入一个反应器,在那里它被催化转化为所需的液体产品甲醇。来自发动机重整器的过剩机械能驱动富氧装置,在某些条件下驱动小型合成气压缩机。来自发动机重整器的合成气相对接近甲醇反应器所需的压力,因此不需要大型、高成本的压缩机。

系统研究

为了确定他们的新想法在技术和经济上的可行性,Angela J. Acocella,一个技术和政策项目的研究生,和麻省理工学院的团队在整个甲醇生产系统的背景下,对发动机改造器进行了分析。上面的图和标题描述了他们提议的系统中的组件和流程。

作为他们系统研究的基础,研究人员假设一个发动机重整器能够产生足够的合成气,每天生产30吨甲醇(相当于每天100桶石油的能量)。这样的运行水平每天需要大约150万标准立方英尺的天然气。大约40%的油井产出的伴生天然气达到或超过这个水平,所以这似乎是一个合适的分析起点。

一个核心问题是,这种发动机能否产生适合甲醇反应器的合成气。在标准的发动机运行中,调整空气和燃料的混合物,使所有的燃料燃烧,产生二氧化碳和水。但由于合成气是这里的预期产品,发动机必须使用比空气更多的燃料,因此燃烧是不完全的。挑战在于,如果发动机的燃料足够“丰富”,可能会导致熄火——或者根本不能点火。

在化学工程教授William H. Green的支持下,这个团队利用他们的模型来模拟发动机的运行,确定了传统的火花点火(SI)发动机可以在过量燃料的情况下运行。他们成功的关键是对进入的混合物进行预热,提高空气中的氧气含量。根据分析,这些变化加上阀门和火花正时的一些调整,SI发动机将运行足够丰富的燃料,从而避免了大型压缩机对甲醇反应器上游的合成气加压的需要。此外,合成气中的氢和碳的比例将接近最佳。

另一个好处是,钢瓶中产生的机械能将足以压缩合成气,并为辅助部件提供电力,例如丰富氧气。甲醇反应器也会放出热量,这些热量可以用于诸如预热发动机进气等任务。“根据分析,输出的电和热或多或少平衡了系统其余部分的需求,”布罗姆伯格说。“所以这些单元可以是独立的,不需要连接公用设施。”

经济和市场

正如预期的那样,小型系统的部件成本和操作和维护费用(单位甲醇生产)高于大型常规系统。但是麻省理工学院的小型系统有一个重要的经济优势。虽然大型系统是专门为特定地点设计的(因此是独一无二的),但小型系统可以在中心地点大规模生产,然后部署到现场,从而降低建筑成本。(据布朗伯格说,这种装置应该足够小,能装下两三个滑板。)而且,虽然大型电厂需要现场维护团队的持续关注,但小型系统可以进行远程监控——这也是一笔可观的节省。

总的来说,假设天然气的当前价格,使用麻省理工学院的概念生产一加仑甲醇的预计成本约为1.70美元,这大约是大型工厂成本的两倍。然而,在天然气燃烧的地方,小型系统可以大幅减少或免费提供天然气,特别是在制定了防止天然气燃烧的法规的情况下。假设免费燃气,使用发动机改造技术生产甲醇的总成本降至约1美元/加仑,这低于目前的世界市场价格,也低于生产柴油燃料的成本(以能源为基础)。另外一个经济效益是,当甲醇在其生产地点附近使用时,可以降低燃料运输成本。

甲醇和二甲醚(Cohn称之为“新兴”燃料)的潜在市场是另一个重要的考虑因素。他说:“我们有了一种小单元生产甲醇和二甲醚的新方法,在生产有价值的产品的同时,可以消除燃除对环境的不利影响。”“现在,如何才能最好地使用这些产品?”例如,甲醇可以作为一种成本更低、污染更少的柴油替代品,用于分散发电、船舶推进以及为公共汽车和卡车提供动力。”

Acocella目前正在审查甲醇和二甲醚的潜在用途和当地生产成本,特别是在发展中国家。重点是非洲。例如,在尼日利亚,大量的天然气被燃烧,对清洁燃料的需求是至关重要的。其他合作者包括印度和澳大利亚的研究小组,这些国家对将天然气转化为二甲醚用于略作改进的柴油发动机非常感兴趣。

小型气液转换系统的关键是能够将天然气转化为适合甲醇生产反应器的合成气的大规模生产发动机。斯隆汽车实验室(Sloan Automotive Laboratory)的实验证实,上图所示的经过特殊改造的船用发动机可以在完成转换所需的极端条件下工作。照片:斯图亚特Darsch

发动机和系统实验

受早期建模结果的鼓舞,研究人员一直在麻省理工学院斯隆汽车实验室进行并行发动机实验。与机械工程教授和斯隆汽车实验室主任Wai K. Cheng合作,Kevin Cedrone SM ' 10, 2013博士,等离子科学和聚变中心的博士后研究助理,为实验改装了一个发电的船用发动机。

在正在进行的测试中,柏子酮、伊曼纽尔Lim机械工程研究生,在塔塔的技术和设计中心和本科生托马斯李约瑟的17岁,劳尔Barraza 15机械工程仔细调节注入甲烷(燃料)和空气的混合物并检查排气的构成。正如分析中预测的那样,他们发现通过提高进入的混合物的温度和氧含量,他们可以用大量的过剩燃料来开动引擎。当他们从废气中回收一些氢回到引擎中,产品的成分接近他们的目标。

研究小组不久将对进入的燃料-空气混合物进行加压,以研究产生高压排气时的性能(需要避免昂贵的压缩机)。但即使没有这样的调整,他们也已经接近他们所需要的产品——高生产率和不需要催化剂。

与此同时,Bromberg和他的同事们准备采取下一步:开发他们的新系统的试点规模版本。这项工作将由美国能源高级研究计划局(ARPA-E)资助,将由麻省理工学院(MIT)和哥伦比亚大学(Columbia University)的研究人员参与,该研究由三角研究所(Research Triangle Institute)领导,这是一个在合成燃料生产方面具有丰富经验的主要非营利研究组织。布朗伯格表示:“我们的目标是在未来两年内建立一个大规模运营的综合部门。”“热集成不会是完美的,但所有的组件都将证明这个概念确实可行。”


这项研究得到了ARPA-E和麻省理工学院塔塔技术与设计中心的部分支持。塔塔中心通过麻省理工学院的本科生研究机会项目为这两名本科生提供了夏季支持。欲知更多资料,请浏览:

A. Acocella, E. Lim, K. Cedrone, L. Bromberg, S. Seethamraju和D. Cohn。使用紧凑型发动机改进器的甲醇生产系统和市场分析诉讼, ASME 2014第八届能源可持续性国际会议和第12届燃料电池科学、工程和技术会议。2014年6月30日至7月2日。


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记者调查:miteimedia@mit.edu