2020-01-14
98
Синтетическое топливо — углеводородное топливо которое отличается от обычного топлива процессом производства, то есть получаемое путем переработки исходного материала, который до переработки имеет неподходящие для потребителя характеристики.
Как правило этот термин относится к жидкому топливу полученному из твердого топлива (угля, опилок, сланцев) либо из газообразного топлива. Такие процессы, как например процесс Фишера — Тропша, использовались государствами не имеющими доступа к жидкому топливу.
По физико-химическим свойствам полученная жидкая углеводородная смесь является близкой к нефти.
Дальнейшая переработка жидкого бурого угля осуществляется в условиях, аналогичных процессам переработки нефти.
Содержание минеральных веществ в буром угле превышает их содержание в нефтяном сырье. При переработке бурого угля в синтетическое жидкое топливо необходимо применение совершенных процессов фракционирования и разделения углеводородной и минеральной составляющих.
На второй стадии осуществляется очистка жидкого бурого угля от механических примесей, взвешенных частиц, солей, серы и других компонентов, подлежащих удалению.
Третья стадия — углубленная переработка жидкого бурого угля в синтетическое жидкое топливо.
Впервые синтетическое топливо из угля появилось в Германии — в 1911 г. немецкий химик Ф.Бергиус получил из угля бензин. Дело в том, что в Германии не было собственных месторождений нефти, а потребность в топливе возрастала. Зато были одни из самых больших в Европе залежей бурого угля, что и подвигло на проведение исследований с целью получения топлива именно из этого ископаемого. Проблема была успешно решена усилиями немецких химиков, и уже к 1941 г. Германия вырабатывала до 4 млн т жидкого топлива в год.
В начале 70-х годов в ЮАР была создана группа заводов "Сасол" по переработке угля в синтетическое жидкое топливо, что позволило с меньшими потерями пережить эмбарго на поставки нефтепродуктов. Сегодня компания "Сасол" перерабатывает около 47 млн т угля в год, производя около 7 млн т жидкого топлива и имея годовую прибыль в сотни миллионов долларов. Именно этой южноафриканской компании приписывают наивысшие показатели с точки зрения уровня технологии и освоения масштабов производства.
После ЮАР наиболее масштабно и высокотехнологично синтезировать моторное топливо начали в США. Восемь проектов на различных стадиях реализации осуществляются в Китае, и все они предназначены для полной замены традиционных видов топлива. В целом в Нигерии, Катаре, Малайзии и США на стадии проектирования и строительства находятся около 50 объектов суммарной мощностью более 300 млн т топлива в год. К проблеме подключились Япония, Индия, Польша, Индонезия, Пакистан. Общий объем официально объявленных инвестиций в эту сферу превысил $15 млрд, а производство синтетического топлива достигло 20 млн т в год.
Технология получения эмульсионного топлива включает следующие основные стадии: ожижение бурого угля, стабилизацию эмульсионной системы и очистку эмульсионной системы от механических примесей и взвешенных частиц.
На первой стадии осуществляется процесс ожижения бурого угля.
Вторая стадия — стабилизация эмульсионной системы в кавитационном реакторе.
На третьей стадии осуществляется очистка эмульсионной системы от механических примесей и взвешенных частиц. Очистка осуществляется оригинальным, не имеющим аналогов, способом — термо-гравитационной очисткой.
Установка термо-гравитационной очистки эмульсионной системы не имеет вращающихся, изнашиваемых частей и фильтров, отличается низкими энергетическими затратами и эксплуатационными расходами.
Полученная эмульсия имеет все необходимые регламентированные физико-химические свойства. К таким свойствам относятся: стабильность топливной системы в течение длительного времени, технологически приемлемые значения реологических параметров — низкая вязкость, низкие значения пределов текучести, отсутствие выраженных тиксотропных свойств, предельная однородность каогуляционных структур.
Эмульсия отвечает основному требованию, которое предъявляется к эмульсионным топливам, — в эмульсии содержится высокая концентрация горючей основы, достаточной для обеспечения высокой калорийности топлива.
Применение эмульсионного топлива повышает экономичность энергоустановок как за счет снижения недожига, так и вследствие уменьшения загрязнения рабочих поверхностей нагрева в котлах. Снижение недожига обусловлено тем, что вода в зоне горения в виде перегретого пара способствует более тонкому распылению углеводородной основы. Это приводит к практически полному (99.7%) ее выгоранию и, как следствие, к существенному снижению в отходящих газах сажи, бензопирена и вторичных углеводородов.
Эмульсионное топливо является экологически чистым видом альтернативного жидкого топлива также и потому, что помимо уменьшения в отходящих газах перечисленных выше вредных выбросов, при его горении существенно снижается концентрация оксидов азота и серы.
Кроме этого, при сжигании эмульсионного топлива существенно снижается нагар внутри топочных камер, на поверхности форсунок, а также отложения в котлоагрегатах. Изменение механизма горения топливных эмульсий приводит не только к увеличению их экологичности. Установленным фактом является повышение общего КПД котла на 3-5%, а также существенная экономия энергоресурсов.
Основные технологические процессы новой технологии исследованы и испытаны на пилотных установках.
Однако до сегодняшнего дня проблема не рассматривалась в контексте реального перевода ее из исследовательской стадии в производственную.
Во многих странах мира проводятся научно-исследовательские и опытные работы с целью создания новой технологии производства моторного топлива, газа и сырья для химической промышленности. Основа такой технологии — уголь, горючие сланцы и нефтеносные пески, запасы которых намного превышают запасы нефти.
Синтетическое жидкое топливо и газ из твердых 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 ведется 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.
Промышленность на многие годы обеспечена запасами нефти для производства моторного топлива и других целей. Тем не менее в целях экономии ценнейшего сырья у нас разрабатывается технология производства синтетического топлива. Сейчас, в частности, осваивается новая технология переработки горючих сланцев методами газификации и высокоскоростного пиролиза. Единичная мощность агрегатов—1000—3000 тонн сланца в сутки. Для сравнения: производительность уже действующих равна 200— 300 тоннам в сутки.
Использование на электростанциях угля непосредственно в виде топлива выдвигает проблему производства газа из угля. Дело в том, что его сжигание приводит к загрязнению окружающей среды. Предварительная газификация угля и сжигание очищенного газа на электростанции позволяют не только защитить окружающую среду от вредных выбросов золы, сернистых и азотистых соединений, но также существенно снизить расход металла и затраты на создание предприятия.
В настоящее время проектируется энергетический блок мощностью 250 мегаватт, в составе которого предусмотрена предварительная газификация угля. Мелкозернистый уголь будет перерабатываться под давлением до 20 атмосфер в кипящем слое. Применение техники кипящего слоя позволяет значительно интенсифицировать газификацию и создавать агрегаты с большой единичной мощностью.
Многочисленные оценки экспертов свидетельствуют о высокой стоимости предприятий по получению синтетического топлива. Однако, используя дешевый уголь, добываемый открытым способом, в перспективе можно создать экономичное производство. Для этого требуются интенсивные разработки всех стадий производства (подготовка топлива, переработка, очистка продуктов и пр.).
Необходимо подчеркнуть важность организации международного сотрудничества по проблеме синтетического топлива, включающего откровенный обмен информацией. Примером может служить деятельность Координационного центра — «Новые методы утилизации углей». Центр объединяет усилия стран — членов СЭВ, организует кооперацию и международное разделение труда, содействуя ускорению решения задачи.
Проблема организации производства синтетического топлива носит глобальный характер. В ее решении заинтересованы многие страны мира. Объединение их усилий в этом направлении позволит ускорить решение проблемы, будет способствовать экономии нефтегазового сырья и более рациональному использованию топливно-энергетических ресурсов мира.
Нетрадиционная нефть
Природные битумы — это составная часть горючих ископаемых. Битумы содержат значительно больше водорода чем уголь и поэтому производство жидкого топлива из битума может быть гораздо проще и может стоить существенно меньше чем производство жидкого топлива методом Фишера — Тропша. Горючий сланец это полезное ископаемое из группы твёрдых каустобиолитов, дающее при сухой перегонке значительное количество смолы (близкой по составу к нефти). Битуминозные пески Ориноко (нефтеносные пески Ориноко) являются депозитами нетрадиционной нефти в виде горючих сланцев в районе реки Ориноко в Венесуэле, которая течет к венесуэльско-бразильской границе и впадает в Атлантический океан. Битуминозные пески Ориноко считаются одним из двух крупнейших месторождений нетрадиционной нефти (второе, Битуминозные пески Атабаски, расположенно в Канаде).
Спирты
В последнее время растет роль спиртов, как топлива (метанол — в топливных элементах, этанол и смеси с ним — в двигателях внутреннего сгорания).
Этанол
Этанол может использоваться как топливо, в т. ч. для ракетных двигателей, двигателей внутреннего сгорания в чистом виде. Ограничено в силу своей гигроскопичности (отслаивается) используется в смеси с классическими нефтяными жидкими топливами. Применяется для выработки высококачественного топлива и компонента бензинов — Этил-трет-бутилового эфира, более независимого от ископаемой органики, чем МТБЭ.
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.
Однако резкий рост производства биотоплива требует больших территорий для посева растений. Эти территории или расчищаются путём сжигания лесов (что приводит к огромным выбросам углекислого газа в атмосферу), или за счёт фуражных и пищевых культур (что приводит к росту цен на продовольствие).
Кроме того, выращивание сельскохозяйственных культур требует больших затрат энергии. Для многих культур EROEI (отношение полученной к потраченной энергии) лишь немного превышает единицу или даже ниже её. Так, у кукурузы EROEI составляет всего 1,5. Вопреки распространённому мнению, это верно не для всех культур: так, у сахарного тростника коэффициент EROEI составляет 8, у пальмового масла 9.
Ежегодно на нашей планете образуется около 200 млрд т растительной целлюлозосодержащей биомассы. Биосинтез целлюлозы — самый крупномасштабный синтез в прошлом, настоящем и по крайней мере в ближайшем будущем. Но в связи с увеличивающимися потребностями человечества в ресурсах нельзя точно утверждать, что синтез целлюлозы будет самым масштабным и в будущем, например и через 50 лет. Для сравнения производство стали во всем мире на 2009 год составило 1,3 млрд т, а мировая добыча нефти на 2006 год составляла 3,8 млрд т в год.
По ориентировочным оценкам мировые разведанные запасы нефти примерно равны запасам древесины на нашей планете, однако ресурсы нефти быстро 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.
Общее производство биотоплива (биоэтанола и биодизеля) в 2005 году составило около 40 млрд л.
В марте 2007 года японские учёные предложили производить биотопливо из морских водорослей.
По мнению некоторых учёных, массовое использование двигателей на этаноле (не путать с биодизелем) увеличит концентрацию озона в атмосфере, что может привести к росту числа респираторных заболеваний и астмы.
Метанол
Низкий уровень примесей метанола может быть использован в топливе существующих транспортных средств с использованием надлежащих ингибиторов коррозии. Т. н. европейская директива качества топлива (European Fuel Quality Directive) позволяет использовать до 3 % метанола с равным количеством присадок в бензине, продаваемoм в Европе. Сегодня в Китае используется более 1000 миллионов галлонов метанола в год в качестве транспортного топлива в смесях низкого уровня, используемых в существующих транспортных средств, а также высокоуровневые смеси в транспортных средства, предназначенных для использование метанола в качестве топлива. Помимо применения метанола в качестве альтернативы бензина существует технология применения метанола для создания на его базе угольной суспензии, которая в США имеет коммерческое наименование «метакол» (methacoal). Такое топливо предлагается как альтернатива мазута широко используемого для отопления зданий (Топочный мазут). Такая суспензия в отличие от водоуглеродного топлива не требует специальных котлов и имеет более высокую энергоемкость. С экологической точки зрения такое топливо имеет меньший «углеродный след», чем традиционные варианты синтетического топлива получаемого из угля с использованием процессов, где часть угля сжигается во время производства жидкого топлива.
Бутиловый спирт
Может, но не обязательно должен, смешиваться с традиционными топливами. Энергия бутанола близка к энергии бензина. Бутанол может использоваться в топливных элементах, как сырьё для производства водорода.
В 2007 году в Великобритании начались продажи биобутанола в качестве добавки к бензину.
