Ожижение угля

Интерес к проблеме ожижения угля обусловлен тем, что во многих случаях удовлетворительной альтернативы жидким видам топлива (как например, при использовании моторных топлив) нет. Более того, необходимость увеличения использования угля для производства электроэнергии выдвигает дополнительные требования по охране окружающей среды, что в свою очередь также повышает интерес к проблеме получения “чистого” жидкого топлива из угля, которое помимо всего прочего легко хранить.

В углях соотношение атомов водорода и углерода обычно менее единицы, в то время как в топливах нефтяного типа это соотношение (в зависимости от вида) колеблется от 1,5 до 2. Превращение угля в жидкое топливо требует сложных химических преобразований с введением в химический состав получаемого продукта дополнительного водорода и одновременным исключением из него кислорода, серы и азота.

Существуют три основных способа получения жидкого топлива из угля: пиролиз, гидрогенизация и газификация угля с последующей переработкой синтетического газа в жидкое топливо с применением метода “Фишера - Тропша” или других технологий. Во всех перечисленных способах необходимо присутствие водорода: или в самом процессе (как при гидрогенизации), или впоследствии (как при пиролизе и газификации) для обогащения первоначально получаемого из угля продукта.

Пиролиз. При пиролизе уголь подвергается сухой перегонке при высокой температуре без присутствия воздуха. При этом посредством перераспределения водорода в угле получают жидкие и газообразные продукты, а также остаток в виде смол или кокса, в значительной степени освобожденных от водорода. Метод пиролиза “Лурги-Рургаз” уже разработан для промышленного применения. Большое внимание в настоящее время уделяется, главным образом в США и Австралии, процессам пиролиза “Тоскоул” и COED (технологические процессы, позволяющие получать продукт с большим содержанием жидких фракций), на основе которых разрабатывается процесс “Коулгаз”. Интерес к процессу пиролиза обусловлен не только тем, что с его помощью можно получить максимальное количество жидких продуктов, но и возможностью быстрого подъема температуры распыляемого в топке измельченного угля (это свойство пиролиза используется в ФРГ, Великобритании, США и Австралии). Основным продуктом всех пиролизных процессов является обогащенный углеродом продукт, который может использоваться непосредственно в качестве топлива и служить химическим сырьем для получения синтетического топливного газа и для дальнейшего производства жидкого топлива. При переработке углей с высоким содержанием серы в получаемом высокоуглеродистом продукте остается высокий уровень содержания серы. Жидкие производные пиролизного процесса являются сложными по своему химическому составу смолы и мазуты, и для получения из них топлива необходимой чистоты нужна гидрогенизация.

Гидрогенизация. Разрабатываемые в настоящее время методы производства жидкого топлива из угля прямой гидрогенизацией можно подразделить на две группы - каталитические и некаталитические способы. Большой опыт применения обоих способов имеется в ФРГ. Промышленное применение гидрогенизации в 20-х годах в США позволило установить, что данный процесс (если он ведется под давлением) позволяет значительно увеличить количество и улучшить качество моторных топлив при рафинировании сырой нефти. Первые две промышленные установки для этих целей были введены в эксплуатацию в США в 1930 и 1931 гг. фирмой “Стандарт Ойл оф Нью Джерси” (в настоящее время “Эксом”). Во время второй мировой войны в Германии на угле и угольных смолах по технологии “Бергиус-Пьер” в эксплуатации находились 12 каталитических гидрогенизационных установок годовой мощностью 4 млн. т, что составляло одну треть всей потребности Германии в топливной нефти, использовавшейся в основном для автотранспорта и авиации.

После войны эти установки прекратили свое существование в связи с появлением на мировом рынке дешевых нефтепродуктов. В настоящее время промышленных угольных гидрогенизационных установок нет. Однако в разных странах ведутся интенсивные исследования по разработке большого числа каталитических и некаталитических способов гидрогенизации.

Некаталитические способы по существу предназначены для прямого высокоэффективного превращения угля в продукт, который ожижается при высокой температуре и минимальном потреблении водорода (подача водорода в процессе ожижения угля - наиболее дорогостоящая процедура). Цель данного способа - удаление углеродистых образований с высоким содержанием серы и минеральных осадков физическими способами и получение топлива, использующегося при производстве электроэнергии и в промышленных котлах, или выработка промежуточного сырья, из которого при дальнейшем обогащении получают высококачественное моторное топливо.

Наиболее отработанным является процесс, основанный на очистке угля растворением. Установка с использованием данного метода “Солвент Рифайнд Коул” (SRC) производственной мощностью 50 т/сут успешно работает в настоящее время в США. Существуют два варианта данного метода: SRC-I и SRC-II. При применении варианта SRC-I получаемый продукт представляет собой при обычной температуре вещество, подобное пиролизным смолам, а при температуре 170 ⁰С превращается в жидкость. В жидкой фазе это вещество неустойчиво, и с учетом его высокой вязкости возникает серьезная проблема выделения из него твердого осадка. Ужесточение законодательства относительно содержания серы в дымовых газах обусловило разработку варианта SRC-II, при котором модифицировано само течение процесса: он ведется при повышенном давлении подаваемого водорода. При этом получаемый продукт остается жидким при обычной температуре, содержание серы в нем снижается, но увеличивается расход водорода. В 1979 г. в конструкторской проработке с экономическим расчетом в США находились два проекта установок с потребляющей мощностью 6000 т угля в сутки: один для эксплуатации по варианту SRC-I и другой - по варианту SRC-II. Япония и ФРГ являются соучастниками проекта SRC-II. Подварианты метода некаталитической гидрогенизации угля, основанные на принципе SRC, активно исследуются в Японии, ЮАР и Великобритании. Один из побочных продуктов данного метода используется в металлургической промышленности, при производстве кокса и промышленного продукта с высоким содержанием углерода.

Целью ожижения угля с помощью прямого каталитического метода гидрогенизации является производство жидкого продукта, который можно непосредственно использовать в качестве тяжелой топливной нефти или сырья (синтетической сырой нефти) с последующей его очисткой до жидких моторных топлив. Этот процесс требует применения катализаторов и протекает при значительно более высоком давлении, чем при некаталитической технологии.

В первоначальной технологии “Бергиуса” применялось чрезвычайно высокое давление (до 700´10⁵ Па), а в последних разработках процесс протекает в менее жестких условиях, но к. п. д. установок значительно увеличился, а потребление водорода снизилось. В США процесс ведется с использованием дорогих катализаторов, которые по завершении процесса извлекаются для регенерации и последующего вторичного использования; в ФРГ разработана технология применения дешевых катализаторов.

В США наиболее разработанным каталитическим методом гидрогенизации из исследуемых в настоящее время является процесс “Эйч-Коул”, в котором проблема управления действием катализатора решается с помощью реактора специальной конструкции. Этот процесс служит повторением процесса “Эйч-Ойл”, который был разработан для обогащения тяжелых остаточных нефтепродуктов с высоким содержанием серы. Опытная установка с потребляющей мощностью 600 т угля в сутки при производстве топливной нефти и 200 т/сут при производстве синтетической сырой нефти сооружена в Каттлетсбурге (шт. Западная Виргиния) и готова к эксплуатации. Если работа этой установки будет успешной, то предполагается строительство завода с потребляющей мощностью 20 тыс. т/сут, но завершение этого строительства ожидается в конце столетия.

В ФРГ исследования в этой области достигли стадии промышленных испытаний на опытной установке потребляющей мощностью 200 т/сут. Характеристики дешевых катализаторов позволили значительно снизить рабочее давление процесса и в настоящее время началась детализированная проработка промышленной установки.

Вторым способом каталитической гидрогенизации, пользующимся повышенным интересом, является процесс растворения (фирма “Эксом”), основная цель которого - избежать осложнений, обусловливаемых прямым контактом катализатора с углем, и отделить жидкий продукт от твердого остатка. При данном процессе извлекаемый водородный растворитель подвергается воздействию катализатора, а полученное соединение вступает в реакцию с углем при повышенных температуре и давлении. В настоящее время завершается строительство опытной установки потребляющей мощностью 300 т/сут.

Технология “Фишера - Тропша”. Технология производства жидкого топлива “Фишера - Тропша”, основанная на переработке синтетического газа, полученного из угля, использовалась во время второй мировой войны в Германии. К концу войны там работали 9 установок по данной технологии, в Японии - четыре, во Франции и Маньчжурии - по одной.