Два главных направления в синтезе жидкого горючего
Уголь - твёрдое вещество с молярным отношением содержания водорода к углероду (H/C) равным 0,8. Для сырой нефти этот коэффициент H/C составляет 1,3-1,9; для бензина и дизельного топлива - примерно 2. Чтобы преобразовать уголь в жидкое топливо, необходимо ввести в его структуру недостающий водород. Это можно осуществить методом пиролиза или (что более эффективно) методом прямого или непрямого сжижения .
Существуют два главных направления в синтезе жидкого горючего:
-- непосредственное получение путем прямой (деструктивной) гидрогенизации исходного угля и
-- гидрирование газа, полученного предварительно в результате газификации твердого топлива.
Применяемая технология и тип используемого угля оказывают значительное влияние на выход, характеристики и состав продукции. В процессе переработки загрязняющие уголь вещества (сера и азот) в значительной мере удаляются, а получаемые углеводороды очищаются методом, аналогичным дистилляции сырой нефти. Конечными продуктами являются: чистые жидкие виды топлива (бензин, дизельное топливо, авиационное топливо) и другие химические соединения (лигроин, смазочные масла, сера, аммиак).
Рис.1. Схема основных направлений переработки и использования органической части углей
1) ГАЗИФИКАЦИЯ или Непрямое сжижение - это коммерчески апробированная технология, используемая в настоящее время компанией Sasol. На первой стадии переработки происходит газификация угля водяным паром для получения синтетического газа (смеси водорода и оксида углерода). После удаления сернистых соединений и частиц синтетический газ участвует в реакции с применением катализатора при относительно низком давлении и температуре. Состав конечных продуктов зависит от типа реакции и катализатора. Для метода непрямого сжижения характерно получение ультрачистого топлива. Этот метод очень подходит для целей улавливания и хранения углерода (CCS), хотя процесс менее эффективен (общая энергоэффективность - примерно 40%) и обеспечивает получение топлива с меньшей теплотворной способностью.
2) ГИДРОГЕНИЗАЦИЯ или Прямое сжижение - это потенциально более эффективный метод (общая энергоэффективность - 60-70%), который был выбран для целей проекта китайской компании Shenhua. Существуют пара разновидностей технологии, однако основными характеристиками процесса являются растворение угля в насыщенном водородом растворителе при высокой температуре и давлении, затем осуществляется гидрокрекинг с использованием катализатора. Помимо более высокой эффективности этот метод обеспечивает корректировку в зависимости от типа необходимого продукта и получение топлив с высоким показателем удельной энергии. Полученные нефтепродукты требуют рафинирования перед поступлением на рынок. Недостатками метода являются высокие эксплуатационные издержки и более высокий уровень выбросов CO2.
Гидрогенизация – один из видов термической переработки угля, к числу которых относятся, в частности, полукоксование и коксование. Однако условия и режимы этой термической деструкции неодинаковы. Полукоксование и коксование – это разложение вещества без доступа кислорода, ведущее к повышению выхода твердого продукта. В случае же гидрогенизации тот же термический процесс, но в присутствии избытка водорода, приводит к образованию главным образом жидких и газообразных продуктов при малом выходе твердого остатка .
Осуществление процесса гидрогенизации углей в промышленных условиях связано с большими трудностями, особенно если иметь в виду его экономичность и эффективность. Помимо характера исходного угля большое значение имеет выбор режимов давления, температуры и катализаторов. Впервые промышленный синтез жидкого горючего был осуществлен в Германии и связан с именами Ф. Бергиуса и М. Пирра. Тонкоизмельченный бурый или каменный уголь затирался в масле, смешивался с измельченным катализатором и в виде пасты гидрировался вначале в жидкой фазе при давлении 250 – 700 кгс/см2 и температуре около 450 °С. Полученное среднее масло (tкип до 325 °С) далее вновь гидрировалось в газовой фазе при меньших давлениях (200 – 300 кгс/см2), что в результате приводило к образованию бензина. По тем временам это было крупнейшее достижение, отвечавшее вершинам химии органического синтеза (способ ИГ-Фарбениндустри).
Дальнейшие исследования в области гидрогенизации углей были направлены главным образом на модернизацию способа ИГ – Фарбениндустри, выявление новых типов катализаторов, снижение давления и температуры реакций, уменьшение расходов водорода и исходного угля. Эти исследования проводились в основном в США и бывшем Советском Союзе.
Одним из интересных проектов является способ ИГИ (Институт горючих ископаемых) в России применительно к бурым и каменным углям. Задачей данного процесса было получение не конкретного вида горючего, что значительно труднее и дороже, а синтетической нефти, чтобы далее пользоваться обычной схемой переработки, принятой в нефтехимической промышленности, включая тот же крекинг.
3) ГИБРИДНАЯ КОНЦЕПЦИЯ сочетает в себе преимущества и ограничивает недостатки вышеуказанных методов, хотя и при более высоких затратах. Еще одной потенциальной альтернативой может стать метод (по которому подана заявка на патент), разработанный корпорацией Global Resource Corporation (США). В этом процессе используются микроволны определённой частоты для получения нефтепродуктов из различных углеводородов. Ожидается, что этот процесс обеспечит снижение затрат и уровней выбросов CO2, но это еще предстоит доказать в ходе крупномасштабного применения. В принципе синтетическое топливо можно производить также наряду с электроэнергией на заводах комбинированного цикла комплексной газификации (Integrated Gasification Combined Cycle, IGCC). Этот процесс называется «сопроизводство» или «полигенерирование».
Процесс сжижения характеризуется большим потреблением воды и более высоким уровнем выбросов CO2 по сравнению с нефтепереработкой. Двуокись углерода считается парниковым газом и включена в схему торговли квотами на выбросы в Европейском Союзе. Однако технология CCS (улавливание и связывание углерода) обладает потенциалом в отношении контроля уровня выбросов и даже коммерческого использования CO2 (например, для повышения нефте- и газоотдачи или для химической промышленности).
Характеристики рынка угля
