SMR، ATR و DMR بررسی اقتصادی تولید متانول به روش های

The Turkmenistan Haldor Topsoe plant the worlds largest autothermal reforming-based methanol plant

۱.مقدمه

متانول یکی از مهم‌ترین مواد پایه در زنجیره ارزش پتروشیمی است و به‌عنوان خوراک تولید فرمالدهید، اسید استیک، MTBE، DME، متیل‌آمین‌ها، الفین‌ها و انواع حلال‌ها و سوخت‌های پاک‌تر مورد استفاده قرار می‌گیرد. از منظر راهبردی، متانول می‌تواند حلقه واسطی میان منابع گازی، صنایع پایین‌دستی پتروشیمی و بازارهای انرژی باشد. کشورهایی که به منابع بزرگ گاز طبیعی دسترسی دارند، از جمله ایران، قطر، عربستان، روسیه و برخی کشورهای آسیای مرکزی، از مزیت نسبی مهمی برای توسعه صنعت متانول برخوردارند.

در تولید متانول، گاز طبیعی ابتدا به گاز سنتز شامل هیدروژن، مونوکسیدکربن و دی‌اکسیدکربن تبدیل می‌شود و سپس گاز سنتز روی کاتالیست‌های فلزی، معمولاً پایه مس، به متانول تبدیل می‌گردد. بنابراین کیفیت گاز سنتز، نسبت H₂/CO/CO₂، شدت انرژی فرایند، نوع ریفرمر و هزینه سرمایه‌گذاری، تعیین‌کننده اصلی اقتصاد طرح هستند.

گزارش اخیری که به لحاظ بررسی پارامترهای شبیه‌سازی در Aspen HYSYS V11، شرایط عملیاتی، ظرفیت تولید، سرمایه‌گذاری و دوره بازگشت سرمایه توسط نشریه معتبر Petroleum & Petrochemical Engineering Journal (PPEJ) منتشر شده است ، سه مسیر اصلی تولید متانول از گاز طبیعی را مقایسه کرده است:

1. ریفرمینگ بخار متان یا SMR
2. ریفرمینگ اتوترمال یا ATR
3. ریفرمینگ خشک متان یا DMR

هدف گزارش، بررسی امکان تولید متانول در شرایط عملیاتی پایین‌تر از شرایط متداول صنعتی و مقایسه فنی–اقتصادی این سه مسیر در مقیاس خوراک ۱۰۰ میلیون فوت مکعب استاندارد در روز گاز طبیعی است.

 ۲. معرفی مسیرهای تولید متانول

۲-۱. تولید متانول به روش SMR

در روش Steam Methane Reforming، گاز طبیعی در حضور بخار آب و در دمای بالا به گاز سنتز تبدیل می‌شود. واکنش اصلی به‌صورت زیر است:

CH₄ + H₂O → CO + 3H₂

این واکنش گرماگیر است و به کوره ریفرمر نیاز دارد. به همین دلیل، SMR ا ز نظر مصرف انرژی و انتشار CO₂ فرایندی سنگین محسوب می‌شود. در این فرایند، خوراک گاز طبیعی ابتدا تا فشار ۱۵ bar فشرده شده و سپس همراه با بخار ۶۰۰°C وارد واحد ریفرمینگ اولیه با بخار آب شده است. پس از آن، ریفرمر اصلی در ۸۵۰°C و ۱۵ bar فعالیت می‌کند.

مزیت اصلی SMR، بلوغ صنعتی و سابقه طولانی بهره‌برداری است. این فناوری به‌خوبی شناخته شده، طراحی آن استاندارد شده و برای واحدهای متوسط و بزرگ قابل اتکا است. از طرف دیگر، به دلیل نیاز به حرارت خارجی، کوره بزرگ، مصرف سوخت بالا و تولید CO₂، از نظر انرژی و محیط‌زیست نسبت به برخی گزینه‌های جدیدتر ضعیف‌تر است.

بر اساس میزان خوراک ذکر شده در بالا و پارامترهای مقایسه‌ای صورت گرفته، به طور متداول تولید متانول در روش SMR برابر ۴۸۰۲.۴ تن در روز گزارش شده است. این مقدار کمتر از ATR ولی بیشتر از DMR است. بنابراین، SMR  از نظر ظرفیت تولید در رتبه دوم قرار می‌گیرد.

 ۲-۲. تولید متانول به روش ATR

در روش Auto-Thermal Reforming، بخشی از متان با اکسیژن اکسید می‌شود و گرمای حاصل از واکنش اکسیداسیون، انرژی لازم برای واکنش‌های گرماگیر ریفرمینگ را تأمین می‌کند. واکنش‌های اصلی شامل اکسیداسیون جزئی، ریفرمینگ بخار و واکنش شیفت آب–گاز هستند.

ویژگی مهم ATR این است که برخلاف SMR، بخش مهمی از گرمای مورد نیاز فرایند در داخل راکتور تولید می‌شود. به همین دلیل، ریفرمر اتوترمال می‌تواند از نظر طراحی فشرده‌تر باشد و برای ظرفیت‌های بزرگ مناسب‌تر عمل کند. با این حال، نیاز به اکسیژن خالص یا غنی‌شده باعث می‌شود واحد جداسازی هوا یا ASU به فرایند اضافه شود. این موضوع هزینه سرمایه‌گذاری و پیچیدگی عملیاتی را افزایش می‌دهد.

بر اساس تکنولوژی فرآیندی مسیر ATR مشابه SMR دارای پیش‌ریفرمر است، اما در ریفرمر اصلی، متان با اکسیژن تأمین‌شده از واحد جداسازی هوا واکنش می‌دهد. دمای ریفرمر ۸۵۰°C و فشار آن ۱۵ bar در نظر گرفته شده است. پس از تولید گاز سنتز، جریان وارد بخش سنتز متانول و سپس جداسازی و تقطیر می‌شود.

بر اساس نتایج شبیه‌سازی در Aspen HYSYS V11 و بر اساس میزان خوراک ذکر شده در بالا و پارامترهای مقایسه‌ای صورت گرفته ،  ATR بیشترین تولید متانول را دارد و ظرفیت آن به ۵۱۲۸.۸ تن در روز رسیده است. این موضوع نشان می‌دهد که ترکیب نسبت مناسب‌تر گاز سنتز، شدت انرژی مطلوب‌تر و بازده بالاتر تبدیل کربن، ATR  را در مقیاس بزرگ به گزینه‌ای اقتصادی‌تر تبدیل می‌کند.

 ۲-۳.تولید متانول به روش DMR

در روش Dry Methane Reforming، متان با دی‌اکسیدکربن واکنش داده و گاز سنتز تولید می‌کند:

CH₄ + CO₂ → 2CO + 2H₂

مزیت اصلی DMR استفاده از CO₂ به‌عنوان خوراک است. از این منظر،  DMR می‌تواند با فناوری‌های جذب و مصرف کربن یا  CCU پیوند بخورد و به کاهش انتشار خالص CO₂ کمک کند. این ویژگی در آینده صنعت متانول، به‌ویژه در تولید متانول کم‌کربن، اهمیت زیادی دارد.

اما چالش اصلی DMR این است که گاز سنتز تولیدی نسبت H₂/CO پایین‌تری دارد. برای سنتز متانول، وجود هیدروژن کافی ضروری است؛ بنابراین گاز سنتز حاصل از DMR معمولاً از نظر هیدروژن فقیر است. همین موضوع باعث کاهش تولید متانول می‌شود. علاوه بر این،  DMR واکنشی شدیداً گرماگیر است و خطر تشکیل کک روی کاتالیست نیز در آن بالاست.

طبق تکنولوژی فرآیندی، مسیر DMR برخلاف SMR و ATR فاقد پیش‌ریفرمر است، زیرا بخار آب در خوراک این مسیر وجود ندارد. متان و CO₂ مستقیماً وارد ریفرمر شده و در ۸۵۰°C و ۱۵ bar واکنش می‌دهند. نتیجه شبیه‌سازی نشان می‌دهد تولید متانول در این روش ۳۴۳۴.۴ تن در روز است که کمترین مقدار میان سه گزینه محسوب می‌شود.

۳. مقایسه فنی سه مسیر

از نظر فنی، تفاوت اصلی سه مسیر در نحوه تولید گاز سنتز است. SMR گاز سنتزی غنی از هیدروژن تولید می‌کند، اما به کوره بزرگ و مصرف انرژی زیاد نیاز دارد. ATR به دلیل ترکیب اکسیداسیون جزئی و ریفرمینگ، تعادل حرارتی مناسب‌تری دارد و برای مقیاس بزرگ کارآمدتر است. DMR از CO₂ استفاده می‌کند، اما به دلیل کمبود هیدروژن در گاز سنتز، تولید متانول پایین‌تری دارد.

بر این اساس،  ATR ا ز نظر تعادل میان ظرفیت تولید، کیفیت گاز سنتز و اقتصاد مقیاس، بهترین گزینه در مقیاس بزرگ است.   SMR  گزینه‌ای بالغ و قابل اتکا است، اما از نظر انرژی و انتشار کربن محدودیت دارد. DMR از نظر زیست‌محیطی جذاب است، ولی برای رقابت اقتصادی با ATR و SMR نیازمند اصلاح نسبت گاز سنتز، تأمین هیدروژن یا ترکیب با فرایندهای دیگر است.

 ۴. مقایسه شرایط عملیاتی

طبق بهینه سازی پارامترهای عملیاتی با استفاده از Aspen HYSYS ، دمای ریفرمر گاز سنتز از ۱۰۰۰°C به ۸۵۰°C کاهش یافته و فشار ریفرمر از ۴۰ bar به ۱۵ bar رسیده است. همچنین شرایط سنتز متانول از ۳۰۰°C و ۱۰۰ bar به ۴۰°C و ۱۵ bar کاهش داده شده است.

این نتیجه از نظر ترمودینامیکی قابل توضیح است، زیرا سنتز متانول واکنشی گرمازا است و طبق اصل لوشاتلیه، دمای پایین‌تر می‌تواند تعادل را به سمت تولید متانول جابه‌جا کند. با این حال، از نظر صنعتی باید میان ترمودینامیک و سینتیک واکنش تفاوت قائل شد. در دمای ۴۰°C، سرعت واکنش روی کاتالیست‌های متداول متانول احتمالاً بسیار پایین است. بنابراین، نتیجه گزارش بیشتر نشان‌دهنده یک امکان ترمودینامیکی یا شبیه‌سازی تعادلی است و برای تبدیل شدن به طراحی صنعتی، نیازمند اعتبارسنجی کاتالیستی، داده‌های سینتیکی و آزمایش پایلوت است.

البته باید توجه داشت که کاهش دما و فشار جذابیت اقتصادی زیادی دارد، اما بدون ثبات فعالیت بهینه کاتالیست در این شرایط، نمی‌توان آن را مستقیماً به تمام طراحی های واحدهای صنعتی تعمیم داد.

۵. مقایسه ظرفیت تولید

نتایج تولید متانول برای خوراک مشترک ۱۰۰ MMscf/d گاز طبیعی به شرح زیر است:

ATR حدود ۶.۸ درصد بیشتر از SMR و حدود ۴۹ درصد بیشتر از DMR متانول تولید می‌کند. بنابراین حتی اگر سرمایه‌گذاری اولیه ATR بیشتر باشد، ظرفیت تولید بالاتر آن باعث افزایش درآمد سالانه و کاهش دوره بازگشت سرمایه می‌شود.

۶. مقایسه اقتصادی

در گزارش، قیمت گاز طبیعی ۱.۵ دلار بر MMBtu و قیمت متوسط متانول ۳۰۶ دلار بر تن در نظر گرفته شده است. هزینه‌ها به دلار آمریکا و بر اساس برآوردهای سرمایه‌ای به‌روزشده تا سال ۲۰۲۱ محاسبه شده‌اند.

هرچند ATR بیشترین سرمایه‌گذاری اولیه را نیاز دارد، اما به دلیل تولید بالاتر، بیشترین درآمد و کوتاه‌ترین دوره بازگشت سرمایه را دارد. SMR از نظر اقتصادی گزینه‌ای میانی است: سرمایه‌گذاری آن نزدیک به ATR است، اما تولید و درآمد آن پایین‌تر است. DMR  کمترین سرمایه‌گذاری را دارد، اما به دلیل تولید پایین‌تر، درآمد کمتری ایجاد می‌کند و طولانی‌ترین دوره بازگشت سرمایه را نشان می‌دهد.

از منظر هزینه سرمایه به ازای ظرفیت تولید روزانه، ATR نیز جذاب‌تر است:

این شاخص نشان می‌دهد که اگرچه سرمایه مطلق ATR بیشتر است، اما به ازای هر واحد ظرفیت تولید، اقتصادی‌تر از SMR و DMR است. در مقابل، DMR به دلیل ظرفیت پایین‌تر، بیشترین سرمایه ویژه را دارد.

۷.تحلیل مناسب بودن هر فناوری برای ایران (بررسی ایران کاتالیست)

برای ایران، انتخاب فناوری تولید متانول باید بر اساس چند عامل انجام شود: دسترسی به گاز طبیعی، قیمت خوراک، محدودیت‌های سرمایه‌گذاری، ظرفیت هدف، امکان صادرات، شدت مصرف انرژی، انتشار CO₂ و قابلیت توسعه زنجیره پایین‌دستی.

در ظرفیت‌های بزرگ، ATR  می‌تواند گزینه جذاب‌تری باشد؛ زیرا با وجود سرمایه‌گذاری بالاتر، تولید بیشتری ایجاد کرده و دوره بازگشت سرمایه کوتاه‌تری دارد. برای پروژه‌های بزرگ صادراتی متانول، به‌ویژه در مناطق گازی جنوب کشور، ATR یا ترکیب ATR  با سایر روش‌های ریفرمینگ می‌تواند از نظر اقتصاد مقیاس مناسب باشد.

 SMR برای واحدهایی که به دنبال فناوری بالغ‌تر و ریسک فنی کمتر هستند همچنان گزینه‌ای قابل اتکا است. با این حال، مصرف انرژی و انتشار CO₂ آن باید در تحلیل اقتصادی و محیط‌زیستی لحاظ شود. در شرایطی که قیمت گاز پایین باشد، SMR همچنان می‌تواند اقتصادی باشد؛ اما در بلندمدت با سخت‌گیرانه‌تر شدن الزامات کربنی، جذابیت آن کاهش می‌یابد.

DMR  برای ایران از منظر استفاده از CO₂ و حرکت به سمت متانول کم‌کربن جذاب است، اما به‌تنهایی بهترین گزینه اقتصادی نیست. این روش زمانی می‌تواند رقابتی شود که با هیدروژن کم‌کربن، ریفرمینگ ترکیبی، تری‌ریفورمینگ یا واحد جذب CO₂ ارزان تلفیق شود. بنابراین DMR بیشتر یک فناوری آینده‌نگر و مناسب پروژه‌های CCU است تا گزینه اصلی برای واحدهای متانول متداول.

 ۸. جمع‌بندی

بر اساس داده‌های گزارش،  ATR بهترین گزینه فنی–اقتصادی برای تولید متانول در مقیاس حدود ۵۰۰۰ تن در روز است. این روش بیشترین تولید متانول، بیشترین درآمد سالانه و کوتاه‌ترین دوره بازگشت سرمایه را دارد. SMR از نظر بلوغ صنعتی و اطمینان عملیاتی جایگاه مهمی دارد، اما از نظر بازده اقتصادی و مصرف انرژی در رتبه دوم قرار می‌گیرد. DMR اگرچه از نظر مصرف CO₂ و کاهش ردپای کربن جذاب است، اما به دلیل کمبود هیدروژن در گاز سنتز، ظرفیت تولید پایین‌تر و دوره بازگشت سرمایه طولانی‌تری دارد.

با این حال، نتیجه گزارش درباره سنتز متانول در ۴۰°C و ۱۵ bar باید با احتیاط تفسیر شود. این شرایط از نظر تعادلی برای واکنش گرمازا مطلوب است، اما برای طراحی صنعتی نیاز به بررسی سینتیکی، انتخاب کاتالیست مناسب، آزمایش پایلوت و تحلیل پایداری عملیاتی دارد. بنابراین، پیشنهاد اصلی این است که ATR به‌عنوان گزینه پایه صنعتی انتخاب شود و در کنار آن، سناریوهای بهبود شامل بازیافت CO₂، تولید هیدروژن کم‌کربن و ترکیب با DMR برای کاهش شدت کربن بررسی شوند.

این مقاله در شماره تیرماه ۱۴۰۵ نشریه چشم انداز صنعت نفت به چاپ رسیده است.