لزوم توجه به تکنولوژیهای جدید تبدیل گاز به مواد شیمیایی و سوخت

صادرات گاز با هدف ارزآوری, از اولویت های وزارت نفت به شمار می رود لیکن بدلیل خواص ویژه گاز طبیعی, انتقال و فروش آن با مشکل روبروست

صادرات گاز با هدف ارزآوری، از اولویت‌های وزارت نفت به شمار می‌رود. لیکن بدلیل خواص ویژه گاز طبیعی، انتقال و فروش آن با مشکل روبروست. تبدیل گاز طبیعی به مواد شیمیایی می‌تواند گامی مهم در راستای انتقال آسان و بازاریابی موفق‌ گاز طبیعی باشد. در این مطلب به معرفی برخی تکنولوژی‌های تبدیل گاز به مواد شیمیایی و بیان مزایای استفاده از آنها پرداخته‌ای

● اهمیت تبدیل گاز به مواد شیمیایی

مقدار ذخایر اثبات شدة گاز دنیا حدود ۱۴۰ تریلیون متر مکعب است که حدود ۳۰ درصد آن در منطقة خاورمیانه قرار دارد. از آن جمله می‌توان به بزرگترین مخازن گازی جهان نظیر پارس جنوبی و میدان گازی شمال کشور اشاره کرد. با وجود این ذخایر گازی، طبق آمار (SRI)، خاورمیانه تنها ۹ درصد بازار محصولات گازی جهان را در اختیار دارد.

گاز طبیعی، سوختی پاک و خوراکی مناسب برای صنایع شیمیایی است؛ اما به‌دلیل ویژگی‌های خاص خود، انتقال آن به سمت بازار مصرف دشوارتر و گرانتر از انتقال نفت خام است. این مسئله ناشی از مشکلاتی نظیر نبود بازار امن و مناسب، هزینة بالای حمل و نقل و گران و پیچیده‌بودن تکنولوژی‌های انتقال نظیر LNG و خطوط لوله است. به عنوان مثال یک کشتی LNG، حدود ۳۳ میلیون گالن LNG با ارزش گرمایی حدود ۳ تریلیون BTU جابجا می‌نماید، در حالیکه یک کشتی نفتکش (که ساده‌تر و ارزانتر نیز هست) ۲.۲ میلیون بشکه نفت خام با ارزش گرمایی برابر با ۱۳۰ تریلیون BTU را انتقال می‌دهد که حاکی از بالابودن هزینة انتقال گاز طبیعی است. علاوه بر این، مشکلات زیست‌محیطی تولید و انتقال LNG و همچنین هزینة بالا و ضرورت رعایت مسایل ایمنی سایر روش‌های صادرات گاز نظیر خط لوله و هیدرات، صادرات گاز را با مشکلات بیشتری روبرو می‌سازد.

از این رو، تبدیل گاز طبیعی به مواد شیمیایی و جایگزین کردن صادرات این مواد به جای صادرات گاز، علاوه بر اینکه بازار فروش مناسب و مطمئنی دارد، ارزش افزودة بیشتری را نصیب کشور صادرکننده می‌کند و مشکلات صادرات گاز را نیز به همراه ندارد.

اما تبدیل گاز طبیعی به محصولات با ارزش نیز، به‌دلیل ترکیبات موجود در گاز طبیعی با مشکلات خاصی روبروست. گاز طبیعی محتوی بیش از ۹۰ درصد متان، حدود ۶ درصد اتان و ۴درصد از سایر هیدروکربن‌ها است، که تنها ۶ درصد اتان آن جهت تولید محصولات شیمیایی مورد مصرف قرار می‌گیرد.

تکنولوژی‌های مرسوم در صنایع پتروشیمی، قابلیت تولید الفین‌ها و محصولات پتروشیمیایی را فقط از گاز مایع و اتان موجود در گاز طبیعی دارند. از این رو، با تکیه بر فرآیندهای فعلی پتروشیمیایی، نمی‌توان ارزش افزودة موجود را چندان ارتقا داده و مشکلات صادرات گاز را کاهش داد. بنابراین باید به دنبال تکنولوژی‌های جدیدی بود که توانایی تبدیل متان موجود در گاز را به فرآورده‌های با ارزش داشته باشد. در این صورت، علاوه بر رفع مشکل صادرات گاز طبیعی به‌صورت خام، ۹۰ درصد آن به مواد با ارزش افزوده بالا تبدیل می‌شود و درآمد حاصله از چند سنت به ازای هر فوت مکعب به چند ده دلار در هر فوت مکعب خواهد رسید.

در ادامه، به معرفی و بررسی اجمالی این تکنولوژی‌ها می‌پردازیم:

۱) تکنولوژی‌های تولید متانول در ظرفیت‌های بالا (مگامتانول)

متانول از متان گاز طبیعی تولید می‌شود و دارای کاربردهای متنوعی است. عمده‌ترین مصرف این ماده، تولید مواد شیمیایی است. البته متانول کاربردهای دیگری نظیر استفاده در خودروها به‌عنوان سوختی پاک را نیز داراست. لکن هزینة نسبتاً بالای تولید آن به روش‌های معمول، این قبیل کاربردهای متانول را غیراقتصادی ساخته است. یکی از روش‌های اقتصادی و نوین تولید متانول، استفاده از واحدهای مگامتانول (واحدهای تولید در ظرفیت‌های بالا) است. این واحدها، به‌دلیل هزینة بسیار پایین‌تر جهت ساخت، استفاده از کمپروسورهای کوچکتر و استفادة بهینه از گرما و انرژی در فرآیند، متانولی تولید می‌نمایند که به مراتب ارزان‌تر از متانول تولیدی واحدهای معمولی است.

طبق پیش‌بینی‌ها در سال ۲۰۰۸، بیش از ۳۰ درصد متانول دنیا از طریق واحدهای جدید مگامتانول با ظرفیت بیش از ۴۵۰۰ تن در روز تأمین می‌گردد. متانول ارزان حاصله را می‌توان در تولید اسید استیک، MTBE (مادة جایگزین سرب بنزین) و همچنین به‌عنوان سوخت خودروها مورد استفاده قرارداد. همچنین با استفاده از تکنولوژی‌های نوین که در قسمت‌های بعد معرفی خواهند شد، می‌توان این ماده را به مواد با ارزشی نظیر اتیلن، پروپیلن و DME تبدیل نمود.

۲) تکنولوژی‌های تبدیل متانول به اتیلن و پروپیلن (MTO و MTP ):

یکی از فرآیندهایی که تبدیل متان را به محصولات با ارزشی نظیر الفین‌ها میسر می‌کند، MTO است که متانول خام را به اتیلن و پروپیلن تبدیل می‌نماید. در طی این فرآیند، در مرحلة اول، گاز طبیعی به متانول خام تبدیل شده و در مرحلة دوم متانول حاصله از طریق واکنش کاتالیستی به اتیلن و پروپیلن تبدیل می‌گردد. اتیلن و پروپیلن تولیدی با خلوص بالای ۹۷ درصد است و می‌توان آن‌را به راحتی جدا ساخت و به واحد پلیمرسازی فرستاد. گرچه تکنولوژی‌های دیگری نظیر OCM برای تبدیل متان به اتان و پس از آن الفین‌ها وجود دارند، اما این فرآیندها در مقایسه با فرآیند MTO از بازده پایین‌تر و صرفه اقتصادی کمتری برخوردار هستند.

در حال حاضر، تحقیق و توسعه برروی فرآیند MTO در شرکت‌های هیدرو (نروژ)، UPO و لورگی به طور موفقیت‌آمیزی پیگیری می‌شود. یک نمونه از پلنت تبدیل متانول به اولفین به‌وسیلة شرکت هیدرو در نروژ نصب گردیده است. این واحد روزانه حدود ۷۵۰ هزار تن متانول را به عنوان خوراک مصرف می‌نماید که عمدتاً از گازسنتز حاصله از گاز طبیعی به‌دست می‌آید.

شرکت لورگی نیز در حال مذاکره با برخی شرکت‌ها در کشورهای قطر و ترینیداد و توباگو برای احداث واحدهای تبدیل متانول به الفین در این کشورها است. بهترین مناطق برای احداث این واحدها، مناطق مجاور میادین بزرگ گاز طبیعی است که قیمت گاز آنها کمتر از یک دلار برای هر میلیون BTU می‌باشد.

۳) تکنولوژی تولید DME (دی‌متیل‌اتر)

دی‌متیل­اتر، مولکول سادة اتر با فرمول CH۳-O-CH۳ است. این ماده را می­توان مانندLPG به کار برد. اشتعال این ماده نیز مانند گاز طبیعی است. در این ماده، مقدار NO۲ و مشتقات سولفور بسیار پایین و کمتر از ppm ۱۵ است. این موضوع نشانگر مزیت زیست­محیطی DME است که یک انرژی چندمنظورة پاک (تمیز) برای قرن ۲۱ به شمار می‌رود. DME یک مادة غیرسمی است و در حال حاضر به­عنوان مادة سرمازا و مولد فشار به­عنوان جانشینی برای کلروفلئورکربن استفاده می­شود. این ماده ساده­ترین اتر تولید­ شده از متانول(ساده­ترین الکل حاصل از سنتز گاز) است.

هم‌اکنون، در بیش از ۱۳ کارخانة تجاری، DME از طریق دی­هیدرات­کردن (آب­زدایی) متانول به دست می‌آید. میزان تولید DME به این روش، ۱۰ هزار تن در روز در ژاپن و ۱۵۰ هزار تن در روز در جهان است. ویژگی­های خاص DME سبب شده است که به­عنوان جذاب­ترین جایگزین LPG (گاز مایع) و نفت کوره و به­عنوان یک سوخت پاک بدون SOX و دود شناخته شود.

در حال حاضر، در ژاپن DME صرفاً به­عنوان یک مادة (اسیدی) مولد فشار، در کارخانه­هایی با مقیاس کوچک، تولید می­شود. اما با توجه به ویژگی­های خاص آن، بازارهای DME در آینده بسیار گسترده­تر خواهد بود. مهمترین ویژگی DME علاوه بر خصوصیات شیمیایی آن که منجر به ایجاد بازارهای متعددی برای آن خواهد شد، هزینة سرمایه­گذاری کمتر آن نسبت به پروژه­های LNG و GTL است.

برخی از بازارهای بالقوة DME عبارتند از:

۱) سوخت نیروگاه­ها

۲) جایگزینی در بازارهای LPG

۳) جایگزینی در بازارهای نفت کوره

۴) سوختی برای سلول‌های سوختی و سایر مصارف

● تکنولوژیGTL (تبدیل گاز به فرآورده‌هیا سوختی نظیر بنزین)

امروزه یکی از راهکارهای مهم در انتقال گاز طبیعی, استفاده از روش تبدیل گاز به فراورده­های مایع (GTL) است. در سال‌های اخیر، پیشرفت­های قابل‌توجهی در تکنولوژی GTL به‌دست آمده است؛ به‌طوری‌که، این فناوری را به‌عنوان یک گزینة مناسب و اقتصادی برای بهره­برداری از ذخایر گازی مطرح ساخته است. فرآیند فیشر- تروپش (Fischer-Tropsch)، به عنوان اصلی‌ترین فرایند GTL، شامل سه مرحله است:

۱) تولید گازسنتز (Syngas)

۲) تولید هیدروکربن‌های خطی

۳) مرحلة پالایش و بهبود کیفیت ‌هیدروکربن‌های خطی

حجم گاز طبیعی مورد نیاز برای تولید یک بشکه GTL در حدود ۱هزار فوت مکعب است. از نقطه نظر صرفه اقتصادی، تولید GTL از گازهای سوزانده شده در رتبة نخست جای می‌گیرد و به دنبال آن تولید این فرآورده از گازهای طبیعی میادین بزرگ گازی دارای صرفة اقتصادی بیشتری است .مقایسة GTL با فراورده‌های حاصل از نفت خام، حاکی از مرغوبیت فرآورده‌‌های حاصل از تبدیل گاز نسبت به فرآورده‌های پالایشی نفت خام است. نفت گاز حاصل از GTL دارای درجة ستان (cetane number) مناسب و کیفیت بالاتری نسبت به نفت گاز حاصل از تصفیه نفت خام است. کیفیت بهتر و درجه خلوص بیشتر، از جمله مشخصات محصولات حاصل از GTL است. در ذیل به چند نمونه از این موارد اشاره شده است:

- برش‌های نفتای حاصل از GTL، به‌دلیل عدد ستان پایین نسبت به خوراک پالایشگاهی، مواد مناسب‌تری برای واحدهای تولید اتیلن در مراکز پتروشیمی به‌شمار می‌روند.

ـ سوخت جت حاصل از فرآیند GTL، شامل مقدار کمی مواد آروماتیک است که احتراق مناسب و استارت خوب موتور را امکان‌پذیر می‌نماید. نفت سفید حاصل از فرآیند GTL که محتوی مواد پارافینیک نیز باشد، به دلیل وجود مواد کاهندة دود، سوخت مناسبی است. لازم به ذکر است که در مقایسه با هیدروکربورهای پایة نفتینیکی و آروماتیک هیدروکربورهای پارافینیکی دارای توانایی احتراق بهتری هستند.

ـ نفت گاز پارافنینیک حاصل از فرآیند GTL، دارای عدد ستان بالا بوده و به دلیل عدم وجود مواد آروماتیکی، سوخت مناسبی به‌شمار می‌رود. مقایسة نفت گاز حاصل از فرایند GTL با نفت گاز مصرفی در بازار امریکا، نشان‌دهندة کاهش‌های ۳۰ درصدی مواد اکسید نیتروژن، ۴۶ درصدی منواکسید کربن و ۳۸ درصدی هیدروکربورها در فرآیند GTL است. در یک جمع‌بندی کلی می‌توان اینگونه بیان داشت که توسعة فن‌آوری‌ها در فرآیند تولید GTL با توجه به مسایل زیست محیطی، یک تلاش مستمر را برای آینده طلب می‌کند. استفاده از فناوری GTL، نیازمند برخورداری از طیف وسیعی از تجهیزات، دانش­فنی و نیروی انسانی ماهر است که می‌تواند محرکی برای توسعة صنعت و اقتصاد کشور تلقی شود.

● جمع بندی:

در پایان به این نکته اشاره می‌شود که، در استفاده از ذخایر بیکران گاز، کسب ارزش افزوده حاصل از فعالیت‌های سطوح بالاتر تکنولوژی, مطلوب‌تر از کسب درآمد از طریق صدور مواد خام و اولیه است؛ مسئله‌ای که پس از حدود ۱۰۰ سال استفاده از نفت خام مورد توجه جدی واقع نشده است. لذا با وجود جوان بودن صنعت گاز و برخورداری کشور از منابع عظیم گازی، امید می‌رود با جلب توجه مسئولان به تکنولوژی‌های برتر و به‌روز صنعت گاز که برخی از آنها برشمرده شد (نمودار ۱)، ارزش افزودة مناسبی از این ثروت ملی حاصل گردد.

نویسنده: علیرضا پیمان پاک

مآخذ:

۱- Utilization of Middle East Gas Resources: New Technology Opportunities

Dr. George M. Intille Director, Process Economics Program SRI Consulting

۶ Iran Petrochemical Forum May ۱-۲, ۲۰۰۴

۲- Gas To Chemicals: Advanced technologies for natural gas monetisation

Waldemar Liebner Lurgi Oel·Gas·Chemie GmbH

۸th Annual Middle East Gas Summit, Tehran, ۲۹/۳۰ October ۲۰۰۲