1. Презентация проекта
"О разработке нанобиотехпроцесса комбинированной
переработки биомассы в возобновляемый метан-водородный
энергоноситель и БФ-активированный биогумус с полной
утилизацией отходов в нефтедобывающей и перерабатывающей
промышленности"
(представлен на 21-ом Мировом нефтяном конгрессе и выставке (WPK) 15-19 июня 2014 г.,
г.Москва, МВЦ «Крокус Экспо»).
ООО “ИннотехЭнерго ” (г.Пенза); ИПГ ДНЦ РАН;
Химфак МГУ.
2014г.
2. I. Экономические и экологические предпосылки создания технологии
производства биометан-водородного энергоносителя из биомассы
Как показывают исследования мировых научных центров ожидаемый в ближайшем десятилетии
подъем национальных экономик промышленно-развитых стран мира в условиях резкого увеличения
стоимости природных энергоносителей и ухудшения экологии неизбежно будет связан с широким
использованием возобновляемых энергоресурсов - биометана, биоводорода и биотоплива,
получаемых из сельскохозяйственного непищевого сырья и биоотходов перерабатывающих
производств, животноводческих и птицеводческих объектов, а также из органической части твердых
бытовых отходов и коммунально-бытовых стоков.
Однако, как показывают исследования ведущих ученых структур Российской Академии Наук, в
ближайшем десятилетии ни один из современных промышленных процессов производства
альтернативного возобновляемого биотоплива и нефтезамещающих энергоносителей из биомассы
пока еще не сможет конкурировать по экономическим и энергетическим показателям с
энергоносителями и моторным топливом, получаемых из нефтяного сырья и природного газа.
Относительные затраты и их структура (в денежном эквиваленте) на получение возобновляемых
энергоносителей и биотоплива с одним энергетическим эквивалентом по различным технологиям
3. II. Технологические основы нанобиотехпроцесса получения биоводородно-
метановой смеси, нефтезамещающих компонентов биотоплив и бактериально-
ферментативно-активированного (БФА) биогумуса
По своим функциональным и технологическим параметрам данный техпроцесс
представляет собой модифицированное комбинирование элементов этанольного,
ацетоно-бутилового, биометанового и биоводородного процессов в единый
термофильный интегрированный процесс в ходе реализации которого
осуществляется наработка молекулярного водорода (до 58 - 60 объемных %),
спиртов нормального строения (С3-С5 - до 50%) и их гидрированных форм
(изопропанола, изобутанола, изоамилола, изогексанола и т.д.), а на завершающей
стадии - метан-водородной газосмеси и БФА-биогумуса с одновременным
осуществлением полной утилизации всей технологической углекислоты, тепла и
метаболитных растворов в виде реагентных составов в нефтяной и др. отраслях .
В основу техпроцесса положен экспериментально доказанный эффект
возможности регулирования параметрами внутриреакторного культивирования
симбиотической ассоциации продуцентов (рН, температуры, концентрации и
наличия питательных веществ и т.д.) - вплоть до возможности обеспечения
регулирования процессов их метаболизма, позволяющего обеспечить частичное
или полное блокирование синтеза спиртов и метангенерации с возможностью их
трансформации в водородгенерирующий процесс за счет искусственно вызванной
индукции неспецифичных для этой группы продуцентов ферментов.
По сравнению с классическими монобиотехпроцессами в реакторном объеме
обеспечивается полная деструкция высокомолекулярных углевод-, углерод- и
белковосодержащих компонентов биомассы до уровня моносахаров,
низкомолекулярных биполярно-ионных соединений и большой группы
растворимых метаболитов, а белковых компонентов биомассы отработавших
продуцентов - до уровня производных аминокислот (пептидных/амидных
соединений – -RI..II...–СО–NH-) и субклеточных биокаталитических соединений.
4. Комбинированные промышленные процессы ускоренного получения биогаза
Биогазовый объект России по переработке отходов спиртопроизводства (Московская обл.)
Для метановых архей родов Methanosarcina, Methanosaeta (Methanothrix), Мethanomicrobium, особенно важна доступность
органического вещества т.е. его структура должна быть микроскопичной. Залогом их высокой продуктивности по биогазу является
стабильность параметров – рН, температуры, ХПК, ЛЖК, еН, давления, гидродинамических процессов в реакторе и
стрессоустойчивость биомассы. При выполнении этих условий, технологический процесс длиться 2-3 час, что обеспечивает
высокий выход биогаза с 1 м/куб. реактора – до 13 м/куб.
Анаэробный процесс: Аэробный процесс:
С6Н12О6 3СН4 + 3СО2 + микробная биомасса + тепло. С6Н12О6+6О2 6СО2 +6Н2О + микробная биомасса + тепло.
Биогаз
66м.
куб.
ХПК
10-12
кг
ХПК
100 кг
ХПК-
100 кг
Анаэробный Аэробный
Ил
6,6 кг
Комбинирование сухой и влажной ферментации по технологии Vissman Group (Германия)
ХПК
2
-10 кг
Ил
65кг
Кислород
Тепло
Промышленный НИОКР:
Сухое вещество в сутки - 90 т.;
Объём биреакторов - 8 х 520 м/куб;
Выход биогаза в сутки – 60 000м/куб.;
Очистка стоков – 1100 м/куб/сут.
Сухая ферментация Влажная ферментация
5. Принципиальные схемы работы комбинированного биокомплекса переработки
послеспиртовых отходов и водородо-кислородного энергокомплекса с
экспериментальным водородо-кислородным парогенератором-перегревателем
Фотография созданного в конце 90-х годов XX-го столетия
в аэрокосмическом комплексе Германии водородо-
кислородного пароперегревателя мощностью (30 МВт/т.)
Принципиальная схема работы энергоблока с водородо-
кислородным парогенератором-перегревателем
Принципиальная схема работы и энергетический баланс
анаэробно-аэробного комплекса по переработке
послеспиртовой браги
6. Принципиальная схема биогазовой переработки сельскохозяйственных
отходов, потенциально пригодная для влажностно-сухой переработки
органической части ТБО, иловых осадков очистных сооружений и других
органических отходов
7. Подстилочный компостер EYS, пригодный для переработки любых органических отходов
Модель Объем барабана,
м3
Производительность,
м3/сутки
ВС 14 10 10
ВС 28 20 20
ВС 50 40 40
Центробежно-флотационный участок для непрерывно-поточного разделения пульпы
иловых карт или хозбытовых стоков на органическую и неорганическую фракции
8. Принципиальная схема полигонной каркасной конструкции буртовой системы
влажностно-сухой переработки органических отходов в биогаз и биокомпост,
потенциально пригодная к метан-водородной модернизации
Биомасса перегружается транспортером 2 на транспортер 5 и при этом засевается метаногенной
микрофлорой из засевного бака 3, а при движении по транспортерам 2 и 5 она орошается
обеззараженным фильтратом из оросителя 4 до влажности 50-75%. Далее, увлажненная биомасса
подается в верхнюю часть газодренажной конструкции 6 и ссыпается вниз на основание 8.
На схеме: 1-измельчитель, 7-биомасса, 9-гидродренажная система , 10-сборник, 11-ороситель.
Выход и состав биогаза при сбраживании органических веществ
Вещество Удельный выход биогаза,
м3/кг
Степень разложения,
%
Состав биогаза, %
метан диоксид углерода
Углеводы 0,79 64 50 50
Жиры 1,25 70 68 32
Белки 0,7 47 71 29
9. III. Использование и полная утилизация технологических остатков в качестве
реагентных составов для нефтедобычи и переработки высоковязкого тяжелого
и нетрадиционного (сланцевого) нефтяного сырья
Полученные в ходе реализации данного техпроцесса энергоносители из-за наличия
в системе биоводорода представляют собой новый вид компонентов моторного
топлива, превосходящих по общему энергетическому потенциалу на 30-50% все виды
современных нефтяных и моторных биотоплив 1 - 3-го поколений. Они также могут
быть использованы в качестве унифицированного гидроэнергоносителя для
транспортной бортовой генерации водородсодержащего газа и осуществления на
этой основе в бортовом конвертерном устройстве процесса утилизации конечной
углекислотно-паровой смеси и высокопотенциального тепла отработавших газов (до
50-70 % от их объема).
Кроме того, как показали исследования, в случае реализации техпроцесса по
«безректификационной» схеме работы объекта конечный биореакторный продукт
будет представлять собой крайне перспективный гидронасыщенный
биокаталитический реагентный состав для целей локально-промысловой
непрерывно-реакторной или внутрипластовой низкотемпературной
«гидропредьочистки» любых видов жидких и твердых природных углеводородов ( в
т.ч. - сланцевых нефти и газа) и рудного стратегического сырья.
В лабораторных условиях наибольший эффект глубокой очистки нефтяного сырья
наблюдался на образцах высокометаллизованных, высокосернистых и высоковязких
тяжелых нефтей и битумов (с объемом лабораторного оборудования - 0,5-10,0 л.). При
этом, в результате проведения деметаллизации этих образцов от ванадия и никеля,
осуществляемых в настоящее время в мировой нефтепереработке в виде их
оксидных соединений, обеспечивалось практически 100-прцентное выделение
ванадил- и никельпорфириновых соединений, получение которых для
фотодинамической онкологии и стратегических отраслей мировой экономики
осуществляется до настоящего времени только в виде их синтетических аналогов.
10. Проекты строительства современных промышленных биотопливных объектов,
пригодных к нанобиотопливно-водородной модернизации
ААннггллииййссккоо--ааммееррииккааннссккиийй ппррооеекктт РРооссссииййссккиийй ппррооеекктт
Принципиальная схема работы нанобиотопливно-водородного мини-
нефтеперерабатывающего комплекса по переработке нефтяного и битумного сырья в особо
чистые моторные топлива и полимер-модифицированные супербитумные продукты
11. ИИссппооллььззууееммооее ооббооррууддооввааннииее
Оборудование для ультрадисперсно-
коллоидной обработки технологического
биосырья, а также для битумно-
полимеризационной обработки тяжелых
нефтяных остатков
Поточный смеситель - гомогенизатор „Bitumen
DISPAX®“ IKA®
Промышленная установка для производства
полимер-модифицированного битума и
битумных эмульсий (в т.ч. за счет частичного
использования лигносырья)
ППооллееззнныыйй ооббъъеемм – 6600 мм³;;
ММааттееррииаалл – ууггллееррооддииссттааяя ссттаалльь;;
ММоощщннооссттьь ммеешшааллккии – 1111 ккВВтт;;
ИИссппооллннееннииее – вккллююччааеетт ннааггррееввааттееллььнныыйй ззммееееввиикк ии ттееррммооииззоолляяццииюю..
12. IV. Процессы получения «нефтезамещающих» энергоносителей:
Перспективы использования нанобиотехнологических техпроцессов для нужд
нефтегазодобывающей и перерабатывающей отраслей промышленности, а также в
геобиорудной промышленности и в экологии в настоящее время могут быть дополнены
не менее значимыми для мировой возобновляемой энергетики перспективами - в области
биотопливно-водородных процессов, примером которых могут служить реализуемые в
ближайшее время на базе пилотных опытно-экспериментальных производств
гидрогенизационной и гидропереэтерификационной переработки растительных масел в
абсолютно экологически чистые биодизель, биоавиакеросин и в нефтезамещающие
жидкие углеводороды бензинового ряда, олефины и ароматические углеводороды (по
технологии ИНСХ РАН; VII Бакинская Международная конференция по нефтехимии,
2009г.).
В настоящее время аналогов выше отмеченного техпроцесса в научной мировой
практике не обнаружено, а для его реализации имеются все необходимые предпосылки, в
числе которых - наличие больших объемов технологического биоводорода.
13. VI. Добыча, локально-промысловая короткоцикловая глубокая очистка и
переработка нефтяного и битумного сырья (сланцевой нефти и газа)
В основу экологически чистых нанобиокаталитических техпроцессов положен эффект
воздействия наработанного в крупнотоннажном биоводородно-топливном производстве
(организованном на базе незначительно модернизируемых спиртопроизводящих или
биотопливных предприятиях, слайд №4 и №9) низкомолекулярным метаболитно-
тиксотропным (с греческого: «тиксис»-встряхивание, «трепо»-изменяться) реагентом на
углеводородное сырье с целью повышения до 2-5 раз интенсивности добычи и полноты
его извлечения из продуктивных пластов месторождений нефти и битумов (в т.ч. -
сланцевых нефти и газа) за счет изменения свойств добываемого сырья и повышения
проницаемости коллекторов продуктивных горизонтов, а также повышения проницаемости
призабойной зоны нагнетательных и добывающих скважин.
Все добытое на месторождениях сырье может бить подвергнуто непосредственной
локально-промысловой глубокой очистке и упрощенной короткоцикловой интегрально-
комбинированной (биогидрокаталитической - для светлых дистиллятов и
плазмоконверсионной - для тяжелых остатков) переработке в унифицированный водород-
аккумулирующий возобновляемый энергоноситель-бензрафинатную нафту, которая
транспортируется на нефтеперерабатывающие и нефтехимические предприятия или
конечным потребителям.
Кроме того, в ходе промысловой первичной очистки нефтяного сырья до уровня сорта
«СуперREBKO» обеспечивается предварительное газофазное выделение из тяжелых и
сверхтяжелых высокометаллизованных нефтей и битумов (составляющих в настоящее
время до 60% от всей добываемой в основных нефтедобывающих регионах РФ нефти)
ванадил- и никельпорфириновых соединений, стоимость которых (при содержании
металлоорганических соединений в российской нефти от 300 до 900, а в канадской и
венесуэльской - до 1000-1200 г/т.) превышает стоимость исходной нефти, из которой они
могут быть получены, в несколько десятков и сотен раз.
14. VII. Потребители инновационных нанобиокаталитических технологий
Потребителями инновационных нанобиокаталитических техпроцессов могут
стать практически все нефте- и газодобывающие, перерабатывающие и
транспортирующие предприятия не только России но и зарубежных стран.
Новый техпроцесс может быть использован также для осуществления изъятия
остаточных объемов углеводородного сырья из отработанных, низкодебитных
или законсервированных скважин за счет использования
нанобиогидрокаталитической внутрипластовой паро-метаболитно-кислородной
газификации, превосходящей в
3-10 раз по интенсивности и полноте нефтеизвлечения низкоэффективные
вторичные и третичные EOR-процессы. При этом, может быть обеспечено
извлечение из продуктивных горизонтов нефтепромыслов до 90% нефти,
которое в настоящее время составляет в российской нефтедобывающей
промышленности около 30 %, а Канады и США - до 50 %.
Особенно эффективной эта технология может оказаться при добыче тяжелых и
трудно извлекаемых высоковязких, высокосернистых и
высокометаллизованных нефтей и битумов, коэффициент извлечения которых
при современном уровне развития мировой нефтедобычи составляет всего
около 15 %. Кроме того, большие перспективы могут открыться при добычи
сланцевых нефти и газа.
Как показывают расчеты ведущих специалистов научно-аналитического Центра
рационального недропользования им. В.И.Шпильмана только на
месторождениях Ханты-Мансийского Автономного Округа России из-за
ухудшения структуры текущих извлекаемых запасов нефти крупных
месторождений, более половины которых в настоящее время относятся к
трудно извлекаемым, и практического игнорирования большинством
нефтедобывающих компаний заложенных в технологические схемы и
проектные документы разработки этих месторождений третичных
высокоэффективных МУН в период с 2000 по 2015 годы на этих
месторождениях с действующей инфраструктурой может быть потеряно около
15. Принципиальная схема технологии добычи тяжелой нефти на месторождениях
пояса Мехсана (Индия) по классической схеме внутрипластового горения и график
стендовых испытаний инновационного модифицированного метаболитно-
кислородного процесса
Классическая схема паро-воздушно-
термального вытеснения нефти
Парометеболитный кислородно-воздушный
инновационный процесс
Динамика вытеснения нефти и время
эксплуатации месторождения при различных
концентрациях кислорода: 1-30%; 2-50%; 3-75%
Зона горения Кокс Зона легких углеводородов
Расположение зон в процессе горения
16. VIII. Лабораторные исследования по экспериментальному апробированию
нанобиокаталитических реагентных составов
Лабораторные исследования по экспериментальному апробированию
нанобиокаталитической короткоцикловой очистки и ускоренной атмосферно-
вакуумной разгонки образцов высоковязкой тяжелой нефти месторождений
Татарстана, Казахстана и Пензенской области, проведенные на базе аналитических
центров и лабораторий ведущих нефтяных ВУЗов и НИИ России, показали
повышенную в 1,5-2 раз эффективность новых техпроцессов по сравнению с
классическими.
Результаты этих исследований, сопоставленные с результатами промышленных
испытаний, проведенных на протяжении первого десятилетия текущего столетия на
400 низкопродуктивных нефтепромыслах США внутрипластовых
микробиологических методов повышения нефтеотдачи (MEOR-технологий),
позволяют сделать вывод о том, что в случае интегрированного использования
биореакторных нанобиокаталитических компонентов, полученных по предлагаемой
технологии, совместно с используемыми в настоящее время в мировой
нефтедобывающей промышленности синтетическими высокомолекулярными ПАВ
для обеспечения физико-химических методов увеличения нефтеотдачи
синергетическая эффективность от их комбинированного применения может
возрасти в 1,5-2 раза.
В настоящее время это крайне актуально для России в связи с началом освоения
новых инновационных технологий термогравитационной добычи тяжелых
высоковязких нефтей и началом освоения технологий шельфовой добычи с
горизонтальными участками скважин большой протяженности.
Кроме того, это может послужить основой для реанимации разработанной еще в
конце прошлого столетия с участием «ВНИИнефть» и РМНТК «Нефтеотдача»
российской Государственной научно-технической программы «Недра России» по
результатам внедрения которой объем дополнительно добытой нефти за счет
использования физико-химических МУН должен был составить в 2001-2005 годах
47,2 млн.т, а в 2006-2010 - 54,5 млн.т.
17. Новые инновационные российские технологии нефтедобычи с
горизонтальными участками скважин большой протяженности
Месторождение им Ю.Корчагина российского сектора Каспийского моря
Профиль скважин опытного участка месторождения Татарстана
18. Сравнительный анализ результатов лабораторных исследований содержания серы
в образцах дистиллятов атмосферной разгонки Нурлатской нефти (Татарстан), полученных по традиционной
технологии (институт катализа им. Г.К. Борескова СО РАН, г. Новосибирск и ООО «Плазмохим», г. Казань)
Протокол лабораторных исследований «ТатНИПИнефть»
содержания микроэлементов в образцах дистиллятов атмосферной разгонки образцов нефти (Казахстан,
Пензенская область и скв. №1743 Нурлатского месторождения), выполненных на анализаторе «MiniPal»
фирмы «Philips Analytical X-Ray B.V.» методом рентгено-флуоресцентной спектрометрии
20. Протоколы результатов исследования образцов дистиллятов разгонки
нефти Нурлатского месторождения (Татарстан) на наличие никель- и
ванадилпорфиринов
21. IX.Технико-экономические показатели различных схем нефтеперерабатывающих
(в основу расчетов положены экономические выкладки начальника отдела нефтепереработки Департамента
№
производств России по состоянию на декабрь 2005 г.
Минэнерго Злотникова Ю.Л. – «Нефть, Газ и Бизнес», №4, 2006г.)
Технико-экономические
показатели
I-ая
схема
II-ая
схема
III-ая
схема
Изменение показателей
II-ой схемы к I-ой III-ей схемы к I-ой III-ей схемы ко II-
ой
Абсол. % Абсол. % Абсол. %
1 Объем переработки нефти,
млн.т.
18,0 18,0 18,0 - - - - - -
2 Выручка от реализации, млн. $ 4664,0 6456,0 7424,4 +1792,0 138,4 +2760,4 159,2 +968,0 115,0
3 Затраты на производство, млн. $ 3687,4 4083,3 2722,2 +395,9 110,7 -1229,1 73,8 -1361,1 66,7
4 Прибыль от реализации, млн. $ 976,6 2372,7 4702,2 +1396,1 143,0 +3725,6 481,5 +2329,5 198,2
5 Затраты на единицу:
6 -выручки от реализации 0,791 0,633 0,367 -0,158 80,0 -0,424 46,4 -0,266 58,0
7 - на 1 тонну нефти, $/т 204,9 226,9 151,23 +22,0 110,8 -53,63 73,8 -74,8 66,7
Обозначения:
I-ая схема представляет собой современный российский НПЗ (без модернизации), с глубиной
переработки нефти 50% и наличием в структуре вырабатываемой продукции до 28,0 % топочного
мазута;
II-ая схема предусматривает модернизацию НПЗ (с годовой мощностью по переработки нефти 12-18
млн.т.) с удельными капитальными вложениями в объеме 1,6-2,5 млрд. $ в модернизацию на уровне
самых передовых достижений науки и техники и с глубиной переработки нефти до 85%;
III-ая схема предусматривает потенциально-возможный перевод российских НПЗ на новую
нанобиотехнологическую схему работы с удельными капитальными вложениями в модернизацию
всего около 10% от требуемых по схеме II для обеспечения максимальных поставок на экспорт
низкосернистых моторных топлив (до 0,001 - 0,0005 объем. %) или новой экспортной марки
российской нефти SuperRebko (вместо Urals) и модифицированных мазутов и гудрона для
производства наномодифицированных экологически- и фотостойких полимер-модифицированных
супербитумов (с повышенными до 5 – 8 раз сроками эксплуатации покрытий), а не топочного мазута.
