что такое синтетическое топливо
Синтетические жидкие топлива – новые возможности и перспективы
В статье представлены сведения о современном состоянии технологии получения синтетических жидких топлива процессом Фишера – Тропша. Рассмотрен процесс газификации как важнейший элемент технологии. Предложены новые идеи, касающиеся расширения сырьевой базы процесса, рассмотрены перспективы его развития.
Синтетические жидкие топлива, разработка процессов их получения и исследования в этой области имеют уже почти 100 –летнюю историю, если точкой отсчета принять исследования Сабатье и Сандеренса, а также Е.И.Орлова начала 20 века, впервые синтезировавших углеводороды (метан и этилен) из смеси СО и Н2. Основы промышленного производства углеводородов из синтез – газа были заложены исследованиями немецких химиков Ф. Фишера и Х. Тропша, сотрудников компании Ruhrchemie, в 20-х годах прошлого века.
Из табл. 1, в которой показаны типичные характеристики синтетической нефти, полученной с применением кобальтовых катализаторов в сопоставлении с минеральными нефтями[1], видно, что синтетическая нефть практически не содержит нежелательных по экологическим требованиям соединений серы и азота и превосходит нефти минерального происхождения по содержанию дизельных фракций.
Все фракции синтетической нефти востребованы как весьма ценные продукты: дизельная фракция является основным целевым продуктом процесса на кобальтовых катализаторах. Дизельное топливо получают и при первичном фракционировании продуктов синтеза и при гидрокрекинге и гидроизомеризации восков. Оно практически не содержит серы и ароматических углеводородов, имеет высокое цетановое число (70-80), низкую точку кипения 90 % топлива и низкую плотность.
Однако смазывающие свойства синтетического дизельного топлива ниже вследствие отсутствия ароматических соединений, а температура застывания выше, чем у минерального [2,3].
Синтетическое дизельное топливо имеет лучшую биоразлагаемость [4], но его чувствительность к кислороду воздуха снижает стабильность, что надо учитывать при хранении. Плотность синтетической дизельной фракции ниже, чем у стандартного дизельного топлива.
В составе выхлопных газов при использовании синтетического дизельного топлива содержится меньшее количество вредных для человека и окружающей среды компонентов: содержание углеводородов снижается с 0,35 до 0,20; СО — с 1,6 до 1,0; NOx — с 5,4 до 4,6; а пыли — с 0,12 до 0,10 г/(л.с.)·ч–1. Вследствие такого сочетания
достоинств и недостатков синтетическое дизельное топливо может использоваться для облагораживания прямогонных дизельных топлив. При этом снижаются затраты на обеспечение соответствия ужесточающимся экологическим характеристикам топлива.
Керосиновая фракция С10—С14) используется для получения реактивных топлив и поверхностно-активных соединений [5], Эту фракцию также получают и при первичном фракционировании, и процессами гидрокрекинга и гидроизомеризации восков с последующим фракционированием.
Воск (церезин), полученный синтезом Фишера — Тропша, — продукт высокого качества, находящий применение в фармакологической и парфюмерной промышленности, а также в производстве свечей, мастик, пластификаторов, вощеной бумаги, сплавов для точного литья [5,6]. От продуктов минерального происхождения синтетические воски отличает высокая чистота, низкая аллергенная активность и более высокая температура плавления. Также эти тяжелые парафины характеризуются низкими показателями розлива и летучести и являются лучшим базовым сырьем для производства смазок по сравнению с продуктами нефтепереработки [7].
Основа для производства масел, получаемая из воска гидрокрекингом и гидроизомеризацией, не требует последующих процессов очистки продуктов от соединений серы и ароматических углеводородов [2, 5]. Отсутствие в этих маслах примесей гетероатомов, низкое содержание ароматических соединений делают их менее коррозионно-активными.
В высокотемпературном синтезе Фишера — Тропша в присутствии железных катализаторов образуется 5— 6 мас.% кислородсодержащих соединений. При больших объемах производства выход этих продуктов может быть достаточным для получения индивидуальных веществ.
Средняя молекулярная масса смеси жидких и твердых углеводородов определяется используемым катализатором и условиями синтеза. В низкотемпературном процессе содержание углеводородов с температурой кипения выше 370°С (восков) может достигать
40 % и более, а в высокотемпературном преобладают углеводороды бензиновой фракции, причем содержание олефинов в них достигает 70 %. Содержание ароматических углеводородов в нафте (бензиновой фракции), полученной высокотемпературным синтезом, удовлетворяет современным требованиям к автомобильному бензину. Но содержание олефинов велико, а октановое число низко для современных автомобильных двигателей, поэтому такой бензин нуждается в дополнительной модификации.
Важнейшим фактором процессов получения СЖТ является вид используемого сырья. Принято следующее разделение процессов по этому фактору:
GTL (Gas to liquids) — сырьем является газ (природный, попутный нефтедобычи, сланцевый и т.д.);
CTL (Coal to liquids) — уголь и другие твердые горючие ископаемые;
BTL (Biomass to liquids) — биомасса.
Основные показатели процесса: температура 430−465 0С; рабочее давление 15−19 МПа;
количество катализатора: Fe/сухой уголь = 0,5−1,0 вес. %. В качестве катализатора
3200 баррелей в сутки). Этот проект получил поддержку Министерства науки правительства КНР и был включен в Национальную программу высоких технологий с предоставлением гранта в 20 миллионов юаней (Upstreamonline, 2008).
Демонстрационный завод ( рис.2) расположен в Чанчжи. Технология ICL, предоставленная Synfuels China, включает в себя газификацию угля в стационарном слое, связанную с двумя линиями синтеза FT на основе кобальтовых и железных катализаторы соответственно. Кроме того, есть системы для уменьшения выбросов CO2, утилизации метана, утилизация сточных вод и золы, утилизации отходов.
Завод расположен в эколого-индустриальном парке, идея функционирования которого заключается в создании замкнутого цикла переработки материалов и энергии с интеграцией угольной шахты и обогатительная фабрика, работающей на электроэнергии, получаемой из продуктов переработки угля.
Рисунок 2. Демонстрационный завод Шаньси Луань (Synfuels China, 2010b)
Планируется, что через 10 лет мощность заводов СЖТ в Китае будет доведена до 1,2 млн бар/сут. Примерно к 2020 г. планируется построить также не менее 7 заводов по технологиям ICL(непрямое ожижение угля) суммарной производительностью по СЖТ в несколько раз больше, чем по процессам DCL (прямое ожижение угля).
(1980-2005) НИОКР, включая испытания пилотного масштаба на основе синтеза Фишера-Тропша (ФТ).Выделение включало перевод персонала ICC, испытательных центров и прав интеллектуальной собственности в новые компания, с различными промышленными спонсорами, покупающими акции. Общая капитализация составили один млрд. юаней.
Основные акционеры: Yitai Group 40.00%, Synfuels Staff 32.20%, ICC-CAS 12.94%, Lu’an Group 8.00%, Xuzhou Mining 4.00%, Shenhua Group 2.00%, Linksun 0.86%
Synfuels China создала и владеет тремя технологиями FT. Synfuels China также разрабатывает усовершенствованный процесс синтеза FT, который основан на частичном гидрировании суспензии сырья в мягких условиях.
Поскольку интерес к развитию возобновляемых источников энергии продолжает расти во всем мире, согласованность возможностей и стимулов Китая по инвестированию в сектор зеленой энергии может привести к ведущей роли этой страны в мире в этом направлении. Энергетическая политика Китая ищет консенсус между обеспечением нефтяной безопасности и превращением в зеленого гегемона. То, как будут расставлены приоритеты этой энергетической политике, будет иметь далеко идущие экономические, экологические и политические последствия на десятилетия вперед [11].
В различных странах реализуются крупные проекты по строительству заводов для производства синтетических топлив из природного газа[2,4-6,13-15]. Так, компания Shell совместно с компанией Qatar Petroleum строят в Катаре завод производительностью 140 000 баррелей синтетических топлив вдень. Первая очередь этого завода производительностью70 000 баррелей в день вступила в строй в 2009 г. Инвестиции компании Shell составили 5 млрд долл. В этом проекте участвуют английская компания Kellogg Brown and Root и японские компании JGC и Toyota. Компания Qatar Petroleum совместно с компанией Sasol International (ЮАР) в 2005 г. ввели в действие завод производительностью 240 000 баррелей жидкихтоплив в день.
Лидерами направления являются компании Shell, Sasol, Chevron, Syntroleum, Exxon Mobil, BP, Statoil, Rentech, ConocoPhillips и другие. Наиболее активно исследовательские и проектно-конструкторские работы (с финансированием в десятки млн USD) ведутся в Китае, Японии, США, Индии, Германии. В настоящее время действуют заводы CTL в ЮАР, США, Китае. Планируется строительство заводов в Китае, Индии, Индонезии, Малайзии, Австралии, США, Монголии. Алжире, Нигерии, Узбекистане, Австралии, Венесуэле, Тринидад и Тобаго, Канаде.
В настоящий момент развитие технологий получения синтетических жидких топлив из различных видов сырья вошло в стадию массовой реализации коммерческих проектов. Компания Sasol, например, сейчас производит около 5 млн т СЖТ в год. Мощность ранее построенных заводов в Южной Африке, Малайзии и Катаре оценивается по разным данным от 14 000 до 36 000 баррелей в день.
В США рынок сжижения угля полностью зависит от политики по снижению выбросов CO2. Поэтому большой завод CTL, предназначенный для обеспечения топливом (СЖТ) армии США, который должен был быть введен в эксплуатацию к 2011 году, был недавно отменен по соображениям безопасности окружающей среды (The Guardian, 2009). Возможно, альтернативой станет проект получения СЖТ из сланцевых газов.
Очевидно, что с накоплением опыта реализации крупных промышленных проектов темпы наращивания мощностей увеличатся. По мнению экспертов, прослеживается тенденция к удвоению объемов производства СЖТ в мире в период с 2010 по 2020 гг. При этом рентабельность процессов сильно зависит от природы исходного сырья: в случае использования бурого угля расчетная рентабельность изменяется в пределах от 740 до 3260 %. В случае нефтешламов рентабельность составит 662 %, в случае древесных отходов (опилок, щепы) рентабельность оценивается в 1718 %, а в случае ТБО, соответственно, в 1112 %. Рентабельность переработки битуминозного песка и торфа с 30%-й влажностью в жидкие топлива изменяется в пределах от 345 до 2325 % [16 ].
Компания Shell поставляет дизельную фракцию завода СЖТ в Малайзии как улучшающую добавку к традиционному дизтопливу.
Такое дизельное топливо уже продается в ЮАР, Таиланде, Греции, Германии и других странах под названием V-power diesel и имеет в своем составе 5% синтетической составляющей.
В настоящее время нефть и природный газ являются наиболее востребованными энергохимическими ресурсами, однако очевидно, что при росте мировых цен на нефть значение процессов, позволяющих производить СЖТ из альтернативных видов углеводородного сырья, будет возрастать.
В современной нефтеперерабатывающей промышленности просматриваются следующие основные тенденции: сокращение запасов легких нефтей, увеличение доли добычи и переработки тяжелых сернистых и высокосернистых нефтей, постоянный рост стоимости сырой нефти и нефтепродуктов, а также ужесточение требований природоохранного законодательства к качеству нефтепродуктов. Все это определяет необходимость перестройки и модернизации отрасли.
Одним из перспективных путей повышения глубины переработки нефти с целью увеличения выработки моторных топлив является вовлечение в переработку нефтяных остатков.
До недавнего времени термические процессы (термический крекинг, висбрекинг, замедленное коксование и флюидкокинг) считались ведущими в конверсии нефтяных остатков благодаря относительно невысоким затратам и умеренному расходу водорода. Однако по мере роста цен на сырую нефть, получение от 20 до 35 мас.% кокса из гудрона становится невыгодным. Кроме того, на многих НПЗ, рассматривающих возможность включения этих процессов в схему завода, часто не оказывается достаточных мощностей вторичной переработки (гидроочистка, каталитический крекинг, гидрокрекинг и т.д.) тяжелых газойлей с этих установок.
Недостатки термических процессов производства битумов и кокса, кроме низкой глубины конверсии, заключаются в получении нестабильных малоценных побочных продуктов (асфальта, газойлей, низкокалорийного газа и бензина), требующих последующей экстенсивной переработки и доведения их до необходимого качества товарной продукции.
Газификация нефтяных остатков – это перспективный способ получения синтез-газа, используемого для производства СЖТ, аммиака, метанола и оксоспиртов. Типичными представителями таких технологий являются SGP (Shell Gasification Process) и GE (Texaco Gasification Process) [7].
Самые тяжелые остаточные углеводородные фракции с высоким содержанием серы и металлов могут быть превращены в чистый синтез-газ и ценные оксиды металлов. Образующиеся при этом соединения серы могут быть выделены обычными способами и трансформированы в элементарную серу или серную кислоту.
Удачным примером реализации технологии получения СЖТ из биомассы с использованием процесса Фишера – Тропша является демонстрационная установка мощностью 8 МВт (Гюссинг, Австрия). Процесс газификации биомассы осуществляется в псевдоожиженном слое [ 21 ].
Имеется опыт газификации смесей нефтяного кокса и биомассы [22].
В настоящее время в мире насчитывается более 272 действующих газификационных установок с 686 газификаторами [ 23].Около 25% аммиака в мире и более 30% метанола в мире в настоящее время производится процессами газификации.
Хотя доли биомассы и отходов нефтепереработки и ТБО в общем сырьевом балансе процессов газификации в настоящее время очень малы, ожидается, что в будущем эти категории сырья будет расти.
С экологической точки зрения, процесс получения СЖТ из угля является более сложным и вредным процессом, чем GTL и BTL технологии. Cопоставление объемов капитальных затрат на реализацию этих процессов дает следующие результаты: если затраты на GTL =1, то для CTL коэффициент будет равен 1,5 и выше, а для BTL больше 2,6.
В России, по данным Министерства сельского хозяйства[24], в АПК ежегодно генерируется более 770 млн т биомассы в виде отходов. Очевидно, что решением проблемы отходов АПК является разработка новых технологических процессов производства из них продукции технического назначения. Комплексная переработка сельскохозяйственного сырья, наиболее полное извлечение из него ценных компонентов, рециклинг отходов – это резерв увеличения выработки продукции, повышения эффективности производственной сферы и сохранения экологического природного равновесия.
Одним из направлений использования растительного сырья, интенсивно развивающимся в последние годы, является получение из него биодизеля. Недостатком этого направления является необходимость утилизации побочных продуктов и высокая стоимость получаемого топлива: стоимость производства биоэтанола из целлюлозосодержащего сырья вдвое выше стоимости его производства из зерна. Это обстоятельство ограничивает перспективы внедрения технологии.
В наших работах [25,26]показана принципиальная возможность переработки смесей отходов агрокомплекса и ТНО с получением синтез – газа, характеристики которого (табл.2) обеспечивают возможность использования в процессе Фишера – Тропша и получения синтетической нефти. Интересно отметить, что в этих работах был выявлен эффект синергии при переработке смесей углеводородного сырья минерального и растительного происхождения.
Таблица 2. Компонентный состав синтез –газа, образующегося при газификации суспензий, состоящей из гудрона и растительной биомассы
Условия газификации во всех опытах были следующие:
Предлагаемое направление – переработка в едином технологическом цикле основных крупнотоннажных видов неквалифицированных вторичных ресурсов – тяжелых нефтяных остатков нефтепереработки, растительных отходов агропромышленного комплекса, ТБО и других видов низкокалорийного углеводородного сырья включающая газификацию сырья и конверсию получаемого синтез – газа в ценные продукты – соответствует приоритетным направлениям государственной программы по переходу к экологически чистой и ресурсосберегающей энергетике, повышению эффективности добычи и глубокой переработки углеводородного сырья, формированию новых источников, способов транспортировки и хранения энергии «Энергетическая стратегия России до 2020 года».
Использование предлагаемой технологии в России может стать решением проблемы топливно-энергетического обеспечения удаленных регионов Арктического побережья и Крайнего Севера, развития регионов Сибири и Дальнего Востока. Можно предполагать и другие положительные моменты: увеличение доли ценных продуктов и, соответственно, ее добавленной стоимости, улучшение экологической ситуации в стране как следствие внедрения СЖТ, освоение новых сегментов рынка и увеличение поступлений в бюджет.
1. В. З. Мордкович, Л.В. Синева, Е.В. Кульчаковская, Е.Ю. Асалиева. Четыре поколения технологии жидкого топлива на основе синтеза Фишера – Тропша.// Катализ в промышленности, 5 (15), 2015, с.23-45.
2. Gasification for Synthetic Fuel Production.1st Edition. Published Date: 30th September 2014, 348р.
3. Каган Д.Н., Шпильрайн Э.Э., Лапидус А.Л. // Газохимия. Июнь—июль 2008. С. 50.
4. Хасин А.А. Обзор известных технологий получения синтетических жидких углеводородов по методу Фишера-Тропша // Газохимия. 2008. № 4. C. 28—36.
5. Fischer—Tropsch Technology. Studies in Surface Science and Catalysis. Ed. By Dry M., Steynberg A. Amsterdam: Elsevier, 2004. 700 p.
6.Olga Glebova. Gas to Liquids: Historical Development and Future Prospects // Oxford Institute for Energy Studies NG 80 November 2013. 47р.
7.Елисеев О.Л. Технологии «газ в жидкость» // Рос. хим. ж. (Ж. Рос. хим. об-ва им. Д.И. Менделеева. 2008. Т. LII. № 6. C. 53—62.
8. Dr Andrew J Minchener Coal-to-oil, gas and chemicals in China // IEA CLEAN COAL CENTRE, February 2011, 49р.
9. Jian Xu, Yong Yang ⇑, Yong-Wang Li. Recent development in converting coal to clean fuels in China // Fuel 152 (2015) 122–130.
10. Air Products to acquire Shell’s coal gasification technology business and patent portfolio for liquids (residue) gasification; coal-to-fuels in China // Posted on 11 January 2018 in China, Coal, Coal-to-Liquids (CTL), Fuels, Gasification.
11. N. N. Auerbach, Minxin Pei. Coal-to-Liquid Technology: A Look at the Geopolitical Tension Behind China’s Energy Strategy Graduation Year// Open Access Senior Thesis Bachelor of Arts Department Politics and International Relations 2018.
13. В.С. Охатрина. Международный опыт производства синтетических жидких топлив по технологии GTL и перспективы его развития // Проблемы современной экономики 2012 №4 С.114-116.
15. П.Е. Матковский, И.В. Седов, В.И. Савченко, Р.С. Яруллин Технологии получения и переработки синтез-газа// Газохимия 2011, С.77-84.
16. Assessing a Coal-to-Liquids Fuel Industry in the United States// RESEARCH BRIEF https://www.rand.org/pubs/research_briefs/RB9342/index1.html. Copyright © 2008 RAND Corporation.
17. Р.Хендерсон, Р. М. Родвел, А. Харджи Модификация НПЗ для переработки нетрадиционных тяжелых нефтей // Нефте-газовые технологии. – 2006. – № 1. – С. 67–73.
19. Sreedharan, V. CFD Analysis of Coal and Heavy Oil Gasification for Syngas Production. //Aalborg Universitet (2012).
20. Zuideveld, P. J. Wolff New methods upgrade refinery residuals into lighter products // Hydrocarbon Processing. – 2006. Vol. 85, № 2. – P. 73–79.
21. R. Rauch From gasification to synthetic fuels via Fischer-Tropsch synthesis // Bulletin of the Transilvania University of Brasov • Vol. 3 (52) – 2010 Series I: Engineering Sciences, Р.33-40.
22. Nemanova, V., Abedini, A., Liliedahl, T., Engvall, K. Co-gasification of petroleum coke and biomass (2014) Fuel, 117 (PART A), pp. 870-875.
24. Рециклинг отходов в АПК. Министерство сельского хозяйства РФ. Справочник 2011.
25. А. Ю. Крылова, Е. Г. Горлов, А. В. Шумовский, Ю. П. Ясьян, М. Ю. Нисковская Получение химических продуктов каталитическим превращением биомассы// Химия и технология топлив и масел №3 2018, С.3-6.
26. Е. Г. Горлов, А. В. Шумовский, Ю. П. Ясьян, Б. М. Аникушин, Н. А. Сваровская, М. Ю. Нисковская Исследование процесса газификации смесей нефтяного и растительного сырья // Химия и технология топлив и масел №5 2018, С.3-6.
Синтетическое горючее – триумф высоких технологий
Спецпроекты ЛГ / На переднем крае науки и техники
Мы уже рассказывали нашим читателям о технологии GTL (газ в жидкость) по переработке природного и попутного газа в синтетическое топливо. Но это не единственная технология получения синтетической нефти. Сегодня мы расскажем более подробно о подобных технологиях, а также о том, какую роль в них играют высокоэффективные катализаторы.
Без нефтяного моторного топлива – бензина, керосина, дизельного топлива – современную цивилизацию представить себе просто невозможно. На нём работают двигатели автомобилей, самолётов, ракет. Однако запасы нефти в недрах земли ограничены, и ещё не так давно многие эксперты считали, что человечество неизбежно столкнётся со всеобщей нехваткой моторного горючего. Но оказалось, что впадать в отчаяние рано: закат нефтяной эры если и наступит, то очень не скоро. Разрабатываются новейшие технологии, которые позволят добывать не только легкодоступные углеводороды, но и трудноизвлекаемые запасы нефти и газа. Кроме того, есть серьёзная альтернатива: учёные разработали методы получения высококачественного моторного топлива из природного газа, угля и другого ненефтяного сырья.
Вспомним, что промышленная добыча нефти началась более 150 лет назад. За прошедшие с тех пор полтора века человечество уже израсходовало более половины запасов так называемой лёгкой нефти. Вначале нефть использовалась в качестве источника тепловой энергии, теперь это стало экономически невыгодно. С наступлением автомобильной эры продукты фракционирования нефти в основном применяются в качестве моторного топлива. Чем больше истощаются запасы нефтяных месторождений, тем рентабельней становится производство синтетической нефти.
Что можно получить из нефти
Горючее – из угля и газа
Во время Второй мировой войны Германия в значительной степени удовлетворяла свои нужды в топливе за счёт создания производственных мощностей для переработки угля в жидкое топливо. Южно-Африканская Республика с теми же целями создала предприятие Sasol Limited, которое во времена апартеида помогало экономике этого государства успешно функционировать, несмотря на международные санкции.
Технологии производства синтетической нефти из угля активно развиваются компанией Sasol в ЮАР. Метод химического сжижения угля к состоянию пиролизного топлива был использован ещё в Германии во время Великой Отечественной войны. Немецкая установка уже к концу войны производила 100 тыс. баррелей (0,1346 тыс. т) синтетической нефти в день. Использование угля для производства синтетической нефти целесообразно из-за близкого химического состава природного сырья. Содержание водорода в нефти составляет 15%, а в угле – 8%. При определённых температурных режимах и насыщении угля водородом уголь в значительном объёме переходит в жидкое состояние (процесс гидрогенизации). Гидрогенизация угля увеличивается при введении катализаторов: молибдена, железа, олова, никеля, алюминия и др. Предварительная газификация угля с введением катализатора позволяет выделять различные фракции синтетического топлива и использовать для дальнейшей переработки.
Sasol на своих производствах применяет две технологии: «уголь в жидкость» – CTL (coal-to-liquid) и «газ в жидкость» – GTL (gas-to-liquid). Sasol развивает производства синтетической нефти во многих странах мира, например, заявлено о строительстве заводов синтетической нефти в Китае, Австралии и США. Первый завод Sasol был построен в промышленном городе ЮАР Сасолбурге, первым заводом по производству синтетической нефти в промышленных масштабах стал Oryx GTL в Катаре в городе Рас-Лаффан, компания запустила в эксплуатацию завод Secunda CTL в ЮАР, участвовала в проектировании завода Escravos GTL в Нигерии совместно с Chevron.
Работы по получению бензина из бурого угля до войны велись и в Советском Союзе, но до промышленного производства дело не дошло. В послевоенные годы цены на нефть упали, и потребность в синтетическом бензине и других топливных углеводородах на какое-то время отпала. Теперь же в связи с уменьшением нефтяных запасов планеты исследования в этой области химии переживают своё «второе рождение».
В США производители такого топлива часто получают государственные субсидии, иногда такие компании производят «синтетическое топливо» путём смеси угля с биологическими отходами производства. Синтетическое дизельное топливо, получаемое в Катаре из натурального газа, отличается низким содержанием серы и поэтому оно смешивается с обычным дизельным топливом для уменьшения в такой смеси уровня серы, что необходимо для маркетирования и продажи такого топлива в тех штатах США, где существуют особенно высокие требования к качеству топлива (например, в Калифорнии).
Синтетическое жидкое топливо и газ из твёрдых горючих ископаемых производят сейчас в ограниченном масштабе. Дальнейшее расширение производства синтетического топлива сдерживается его высокой стоимостью, значительно превышающей стоимость топлива на основе нефти. Поэтому сейчас интенсивно ведётся поиск новых экономичных технических решений в области синтетического топлива. Поиск направлен на упрощение известных процессов, в частности, на снижение давления при ожижении угля с 300–700 атмосфер до 100 атмосфер и ниже, увеличение производительности газогенераторов для переработки угля и горючих сланцев и также разработку новых катализаторов синтеза метанола и бензина на его основе.
Весьма интересно, что ряд учёных считают, что у метанола хорошие перспективы заменить ископаемое топливо и биотопливо.
Экономика метанола – это гипотетическая энергетическая экономика будущего, при которой ископаемое топливо будет заменено метанолом. В 2005 году лауреат Нобелевской премии Джордж Ола опубликовал свою книгу Oil and Gas: The Methanol Economy, в которой обсудил шансы и возможности экономики метанола. В книге он рассказывает о перспективах синтеза метанола из углекислого газа (CO2) или метана.
Биотопливо – бразильский фактор
Питьевой спирт этанол может использоваться как топливо для ракетных двигателей и двигателей внутреннего сгорания прямо в чистом виде. Его недостаток – высокая гигроскопичность, потому он используется в смеси с классическими нефтяными жидкими топливами. Этанол получают в странах Латинской Америки из целлюлозосодержащей биомассы – сахарного тростника, например, и называют биотопливом.
Лидером в использовании биотоплива является Бразилия, обеспечивающая 40% своих потребностей в топливе за счёт спирта благодаря высоким урожаям сахарного тростника и низкой стоимости рабочей силы. Биотопливо формально не приводит к выбросам парникового газа: в атмосферу возвращается углекислый газ (CO2), изъятый из неё в ходе фотосинтеза.
Кроме того, выращивание сельскохозяйственных культур требует больших затрат энергии. Для многих культур коэффициент EROEI (отношение полученной энергии к потраченной) лишь немного превышает единицу или даже ниже её. Так, у кукурузы EROEI составляет всего 1,5.
Выгоднее всего получать биотопливо из сахарного тростника и пальмового масла. У сахарного тростника коэффициент EROEI составляет 8, у пальмового масла – 9.
Общее производство биотоплива (биоэтанола и биодизеля) в 2005 году составило около 40 млрд. литров.
В 2007 году японские учёные предложили производить биотопливо из морских водорослей.
По ориентировочным оценкам, мировые разведанные запасы нефти примерно равны запасам древесины на нашей планете, однако ресурсы нефти истощаются, в то время как в результате естественного прироста запасы древесины увеличиваются. Значительным резервом повышения ресурсов древесного сырья является увеличение выхода целевых продуктов из древесины. Переработка биомассы растительного сырья базируется в основном на сочетании химических и биохимических процессов. Гидролиз растительного сырья – наиболее перспективный метод химической переработки древесины, так как в сочетании с биотехнологическими процессами позволяет получать мономеры и синтетические смолы, топливо для двигателей внутреннего сгорания и разнообразные продукты для технических целей.
По мнению некоторых учёных, массовое использование двигателей на этаноле увеличит концентрацию озона в атмосфере, что может привести к росту количества респираторных заболеваний и астмы.
Синтетическая нефть – перспективы и технологии
Если сопоставить эти тенденции с тем фактом, что качественного природного угля на планете осталось не так уж много, то неудивительно, что первостепенное внимание учёных привлекает природный и попутный газ, огромное количество которого при нефтедобыче просто уходит в атмосферу. Производство синтетического жидкого топлива из природного газа очень выгодно экономически, поскольку газ трудно транспортировать: на его перевозку обычно затрачивается от 30 до 50% стоимости готового продукта. Превращение газа прямо на месторождении в жидкие компоненты значительно снизит объём капиталовложений, затрачиваемых на его переработку.
Существующие технологии позволяют перерабатывать природный газ в высококачественные бензин и дизельное топливо через стадию образования метанола. Производство по такой схеме довольно удобно, поскольку все реакции протекают в одном реакторе. Но эта цепочка химических превращений требует больших затрат энергии. В результате полученный синтетический бензин в 1,8–2,0 раза дороже «нефтяного».
Есть и более рентабельные схемы. Можно получать синтетический бензин не через стадию образования метанола, а из другого промежуточного вещества – диметилового эфира (ДМЭ). Это нетрудно сделать, увеличив долю окиси углерода в синтез-газе. Важно то, что ДМЭ можно использовать как экологически чистое топливо для двигателей внутреннего сгорания. Он хорош тем, что полностью укладывается в рамки самых жёстких европейских требований по содержанию твёрдых частиц в автомобильных выхлопах. По теплотворной способности ДМЭ уступает традиционному дизельному топливу – пропану и бутану, но его цетановое число (характеристика воспламеняемости) гораздо выше: для обычного дизельного топлива оно 40–55, а для ДМЭ – 55–60. Так что преимущество ДМЭ перед дизельным топливом при запуске холодного двигателя очевидно. Кроме того, для горения ДМЭ необходимо меньше кислорода, чем для горения дизельного топлива.
Чем выше температура реакции превращения метана в синтез-газ, тем выше производительность реактора. Обычные технологии не могут справиться с задачей проведения реакции при высоких температурах. Тут на помощь приходят ракетные технологии. Одной из наиболее перспективных разработок последних лет можно назвать высокотемпературный генератор синтез-газа, созданный при участии Института нефтехимического синтеза РАН в Приморске на опытном полигоне ракетно-космической корпорации «Энергия». Генератор создан по образу и подобию ракетного двигателя, поэтому его оболочка устойчива к воздействию высоких температур. Полученный в реакторе синтез-газ последовательно преобразовывается по новой эффективной схеме, описанной выше, в ДМЭ и бензин.
Катализаторы творят чудеса
Мы уже рассказывали нашим читателям о катализаторах – веществах, которые сами не участвуют в химических реакциях, но ускоряют их. Катализаторы позволяют добиваться совершенно удивительных эффектов. Например – получать синтетическое топливо из углекислого газа. Углекислый газ (CO2) является соединением со стабильной молекулой, которая имеет слабую химическую активность. Для того чтобы сделать углекислый газ сырьём для производства синтетического топлива, нужно расщепить молекулу и получить молекулу угарного газа (CO), достаточно активного химического вещества, которое можно использовать для получения метана, метанола или других видов альтернативного топлива. Исследования, произведённые различными учёными, показали, что для расщепления молекул углекислого газа могут использоваться катализаторы на основе золотой фольги, но они малоэффективны. Помимо этого золотой катализатор воздействует и на молекулы воды, что приводит к появлению нежелательных побочных водородосодержащих соединений. Учёным из американского университета Брауна (Brown University) удалось успешно решить проблему, создав высокоэффективный катализатор на основе золотых наночастиц строго определённых размеров и формы.
Производя исследования работы золотых катализаторов, учёные обнаружили, что ключевую роль в каталитических процессах играют атомы золота, расположенные на краях острых золотых граней. Кроме этого, огромную роль в выборочном действии катализатора играла длина граней. Дальнейшие исследования привели учёных к созданию многогранных золотых наночастиц, размер которых составлял точно восемь нанометров. Катализатор с такими наночастицами показал 90%-ный уровень расщепления молекул углекислого газа на атом кислорода и молекулу угарного газа.
В лабораториях РН-ЦИР учёные ОАО «НК «Роснефть» успешно работают по исследованию эффективных способов получения синтетической нефти с применением современных катализаторов.