химический каталог




СИИНТЕТИЧЕСКОЕ ЖИДКОЕ ТОПЛИВО

Автор Химическая энциклопедия г.р. Н.С.Зефиров

СИИНТЕТИЧЕСКОЕ ЖИДКОЕ ТОПЛИВО (СЖТ, искусств. жидкое топливо), сложные смеси углеводородов, получаемые из сырья ненефтяного происхождения. См.. также Альтернативные топлива.

Проблема производства СЖТ возникла в нач. 20 в. в связи с отсутствием во многих промышленно развитых странах или регионах значительной нефтяных месторождений, в дальнейшем-с ограниченностью запасов нефти при непрерывно растущих масштабах ее потребления. В 80-х гг. нефть обеспечивала примерно 40% топливно-энергетич. потребностей мира, природные газ-около 20%, уголь-только несколько более 30%. Между тем отношение доказанных извлекаемых (т.е. с применением экономически рентабельных способов добычи) запасов горючих ископаемых к их годовой добыче составляло: для нефти 41, для газа 58, для углей 224 (1989). Общепринятой оценки мировых запасов горючих сланцев нет; принимают, что их общие потенц. запасы в 13 раз превышают потенц. запасы нефти. При сохранении добычи и потребления нефти и газа примерно на уровне 80-х гг. их извлекаемые запасы будут исчерпаны уже через 40-50 лет. По истечении этого периода придется применять гораздо более дорогие способы добычи или производить жидкое топливо из угля и сланцев, запасов которых хватит на столетия.

Возможные пути получения СЖТ. Для превращения в СЖТ углей или сланцев необходимо удалить из них золу, уменьшить мол. массу, превратив твердое органическое вещество в жидкое, обогатить его водородом и удалить из него кислород, азот и серу в виде Н2О, NH3 и Н2 S.

Одно направление получения СЖТ-термодинамически переработка сырья без доступа воздуха (см., например, Коксование, Пиролиз, Полукоксование). При этом, наряду с твердым остатком (полукоксом), образуется угольная или сланцевая смола (сложная жидкая смесь органическое соединений), уже не содержащая золы. Поскольку образование смолы происходит за счет водорода органическое массы, которого в сырье недостаточно, выход смолы по сравнению с выходом полукокса невелик: 10-20% от органическое массы в случае углей и 50-70% в случае сланцев (только 6-22% от их массы).

Др. направление-превращение всей органическое массы в жидкость или газ. Применительно к углям - это гидрогенизация (см. Гидрогенизация угля) и газификация (см. Газификация твердых топлив). Для сланцев данное направление практически нецелесобразно, т. к. золы в них значительно больше, чем органическое веществ.

Возможны следующей пути получения СЖТ (см. схему).


Пути 1 и 4 сравнительно не сложны в аппаратурном оформлении, но их перспективность ограничивается малым выходом жидких продуктов. Эти пути могут представлять интерес как вспомогательные, если находит применение основные продукт - твердый остаток (полукокс).

Пути 2 и 3 универсальны, но многостадийны и требуют сложного оборудования. Это особенно относится к пути 2-прямому ожижению (гидрогенизации) углей при высоких давлениях водорода (10-70 МПа), что определяет высокие удельная капиталовложения в сооружение соответствующих пром. установоколо Однако этот путь дает наиболее выход целевых продуктов. Например, при гидрогенизации кам. и бурого углей получают (в расчете на органическое массу твердого сырья) 53-65 и 53% жидких продуктов против соответственно 9-10 и 18-20% в случае термодинамически переработки (путь 1). По сравнению с газификацией и последующей синтезом моторных топлив из синтез-газа (путь 3) гидрогенизация энергетически выгоднее, поскольку большая доля теплосодержания сырья переходит в целевой продукт: 58 и 52% вместо 44-52 и 45-50% в случае соответственно кам. и бурого углей.

Все рассмотренные возможные пути получения СЖТ в разные периоды развития различные стран были реализованы в промышленности.

Термическая переработка углей продолжит. время развивалась главным образом с целью производства металлургич. кокса. Получаемую при этом в качестве побочного продукта высокотемпературную коксовую (например, кам.-уг.) смолу применяли как сырье для химический промышленности, в стр-ве и только в небольших опытных масштабах в Великобритании (40-50-е гг.)-для выработки моторных топлив, что определяется трудностью гидрогенизации высокоароматизир. коксовой смолы. Переработка углей при пониженных (полукоксование) по сравнению с коксованием температурах дает более высокий выход смолы, называют первичной или полукоксовой. При получении моторных топлив последняя гораздо более пригодна как сырье, чем коксовая смола, для гидрооблагораживания (обработка водородом для удаления гетероатомов, а также увеличения соотношения Н/С с целью приближения состава СЖТ к составу топлив нефтяного происхождения).

Произ-во СЖТ по пути 1 с использованием полукокса для газификации и последующей получения водорода было осуществлено в пром. масштабе в предвоенной Германии, а также в СССР. В Германии в 30-е гг. и во время войны производство СЖТ субсидировалось для покрытия нужд армии (ряд предприятий перерабатывал более 1 млн. т/год полукоксовых смол).

В послевоенные годы конкуренция более дешевого нефтяного сырья привела к прекращению выработки СЖТ из смол, а рост добычи природные газа резко сократил потребность в полукоксе как сырье для газификации. В 80-е гг. полукоксование углей и переработка смол сохранялись в мире лишь на единичных заводах (Мост, Чехословакия; Цейц, ГДР; Ангарск, СССР), причем из смол все более стремятся вырабатывать не СЖТ, а химический продукты. Однако в опытно-пром. масштабах изучение различные вариантов получения СЖТ с включением разных термодинамически процессов продолжается. Например, в США в 70-е гг. на установках производительностью 3,6-300 т/сут углей были исследованы скоростной пиролиз и гидрогенизация смолы, гидропиролиз в псевдоожиженном слое, полукоксование во вращающихся ретортах с теплоносителями (фарфоровыми шарами), ступенчатое полукоксование с повышаемой от реактора к реактору температурой (полукокс использован для производства водорода, а последний-для гидрогенизации смолы). В бывшем СССР изучены (также на опытных установках) скоростной пиролиз, гидропиролиз и термоконтактное коксование углей с последующей переработкой смол в СЖТ.

Термическая переработка сланцев. Первый патент на такую переработку был выдан в Англии (1694). В 1-й пол. 19 в. на сланцеперегонных заводах Великобритании, США, Австралии, Франции и Швеции вырабатывали ламповый (осветительный) керосин. Развитие добычи и переработки нефти сделало эти производства нерентабельными, и после 2-й мировой войны предприятия в перечисл. странах были закрыты. Однако в России и КНР полукоксование сохраняется; в последние десятилетия небольшие предприятия начали функционировать вновь в США, а также пущены в Бразилии.

Масштабы переработки сланцев ничтожны в сравнении с добычей и использованием нефти. Наиб. развита переработка сланцев в России и Эстонии, где их добыча составляет около 40 млн. т/год; при этом б.ч. сланцев используют как энергетич. топливо, а 1/5 часть подвергают полукоксованию с выработкой 1,2-1,3 млн. т/год смолы. Ее переработка ориентирована на получение не только СЖТ, но и большой гаммы химический продуктов: электродного кокса, масла для пропитки древесины, мягчителей резины, строит. мастик и др. В России освоены мощные генераторы с газовым теплоносителем производительностью по кусковому сланцу 1000 т/сут; проходит испытания установка полукоксования сланцевой мелочи с твердым теплоносителем (сланцевой золой) производительностью 3000 т/сут. В США (штат Колорадо) опытное предприятие мощностью 10 тысяч баррелей в день (0,5 млн. т/год) сланцевой смолы работало в 80-е гг. с перебоями; в Бразилии аналогичное предприятие имеет мощность по сланцам около 0,8 млн. т/год.

Прямое ожижение (гидрогенизация) углей. Этот процесс привлекал и продолжает привлекать своей универсальностью наиболее внимание исследователей. В 20-е и в нач. 30-х гг. на основе исследований В. Н. Ипатьева, Ф. Бергиуса (F, Bergius) и др. были выполнены многочисленные работы по гидрогенизации углей в Германии, СССР, Великобритании, Японии и иных странах, подготовившие пром. реализацию гидрогенизации.

Первая крупная установка для получения бензина из бурого угля (100 тысяч т/год по бензину) была введена в Германии (1927). В 30-40-х гг. крупные установки работали также в Великобритании, СССР и северной части Кореи. Наиб. развитие гидрогенизация получила в Германии, где были сооружены шесть заводов общей мощностью 2,5 млн. т/год.

Важнейшее технол. достижение этого периода, определившее в значительной степени возможность пром. реализации гидрогенизации,-разделение превращения углей в жидкие углеводороды на отдельные стадии, поскольку одностадий-ность требовала большого расхода водорода и применения дорогих катализаторов. На первой стадии паста из тонкоизмельченного угля и масла, циркулирующего в системе вместе с дешевым железным катализатором (красный шлам), который выводился из цикла с золой, превращалась при 30-70 МПа и 450-480 °С в смесь газообразных, легких и тяжелых жидких продуктов, содержавшую также твердую фазу. Твердые компоненты (непревращенный уголь, зола и катализатор) отделялись центрифугированием, фракции, выкипающие при температуре выше 325 °С, после разделения возвращались в цикл для приготовления пасты.

Продукт первой стадии-т. называют широкая фракция с концом кипения 325 °С, содержавшая значительной количество неуглеводородных соединений, в том числе.склонных к реакциям конденсации. Эту фракцию на второй стадии рафинировали, т.е. насыщали водородом под давлением 30 МПа и при 4(00-420 °С в присутствии спец. активных гетерог. катализаторов, так что кислород, азот и сера удалялись соответственно в виде Н2О, NH3 и Н2 S. Полученный продукт, состоявший практически целиком из углеводородов, подвергался также при высоком давлении на третьей стадии гидрокрекингу с циркуляцией фракций, выкипающих при температуре выше температуры кипения бензина.

Вынужденные многоступенчатость процесса и использование на первой стадии железного катализатора, низкая активность которого также вынужденно компенсировалась высоким давлением, определили низкую производительность дорогостоящего оборудования и экономич. неэффективность гидрогенизации. Это делало производство СЖТ путем ожижения углей неконкурентоспособным по сравнению с производством моторных топлив из нефти. Поэтому после 2-й мировой войны выпуск искусств. топлива, оказавшегося в несколько раз дороже продуктов из нефти (добыча которой в этот период стала возрастать), быстро прекратился.

Повышение цен на нефть (с 1973) привело к возобновлению интереса к СЖТ. В этот период в большинстве технически развитых стран создаются соответствующие национальные программы исследований. В-результате к нач. 80-х гг. была разработано несколько вариантов усовершенств. технологии ожижения углей, проведенных на крупных опытно-пром. установках производительностью по сырью от 3 до 600 т/сут. В табл. приведена сводка некоторых процессов, наиболее отработанных в промышленности или на крупных опытных установках.

Сравнение процессов, разработанных в 70-80-е гг., с процессом I.G. Farbenindustrie показывает, что, несмотря на большую разницу, вносимую использованием углей различные типов, техн.-экономич. показатели улучшаются благодаря существ. снижению расхода водорода и кол-в образующихся газов C14. Увеличенное количество твердого остатка не вызывает затруднений, поскольку его можно газифицировать с целью получения водорода или сжигать для покрытия энергетич. нужд.

Если считать процесс I. G. Farbenindustrie процессом первого поколения, в процессах второго поколения (см. табл.) достигнуты следующей усовершенствования: упрощено отделение твердых веществ от жидких и повышена эффективность их разделения применением дистилляции вместо центрифугирования, разработкой спец. гидроциклонов, введением осаждающих веществ, непрерывно действующих фильтров и др.; использован пастообразователь, богатый водородом (специально подгидрир. фракция), способный передавать его органическое массе угля, вследствие чего удалось снизить давление; предотвращены подбором условий и внесением органическое добавок реакции конденсации, снижен выход газа, повышен выход жидких продуктов (с 43 до 52-58%); преодолены многочисленные конструктивные трудности, созданы устройства непрерывного ввода и вывода катализаторов, бункеры для хранения паст и суспензий угля, центробежные пастовые насосы, запорная арматура, устойчивая к коррозии и эрозии, и т. д.

По нек-рым оценкам, удельная капиталовложения при разработке процессов второго поколения уменьшены на 15-20%, однако ни один из них не был реализован в промышленности, хотя за рубежом были выполнены проектные работы. Осн. причина-падение цен на нефть с 30-40 долл./баррель (1981) до 10-12 долл./баррель (1985). Кроме того, процессы второго поколения не привели к значительной качеств. изменениям по сравнению с процессами первого поколения. Поэтому с кон. 80-х гг. в изучении получения СЖТ прямым ожижением углей наблюдается тенденция развития фундам. исследований с целью более глубокого обоснования разработки процессов третьего поколения. Конкретные направления интенсификации ожижения углей: изучение химический структуры углей и использование ее особенностей, в частности, раздельная оптимизация стадий растворения угля и насыщения смеси водородом или применение для ожижения только высоко-реакционноспособной части органическое массы угля; поиск новых катализаторов, особенно их комбинаций; оптимизация состава пастообразователей; комбинирование ожижения с иными процессами переработки углей (коксование, газификация и др.).

Газификация углей. Процесс получения СЖТ из углей через газификацию и последующей Фишера -Тропша синтез или синтез метанола (путь 3) уступает по выходу жидких продуктов прямому ожижению углей (путь 2), однако превосходит его универсальностью и гораздо более широким опытом реализации в промышленности. Получаемый газификацией синтез-газ м. б. использован, помимо переработки в углеводороды, для выработки водорода, а последний-во многие других пром. процессах, например в синтезе NH3. Поэтому газификацию необходимо включать в схему любого предприятия, работающего по пути 1, 2 или 4. Синтез-газ можно применять также для получения различные химический продуктов.

Прямое получение моторных топлив из синтез-газа в предвоенный и военный периоды было осуществлено на ряде заводов в Германии (в 1944 макс. выпуск составил 600 тысяч т). В послевоенные годы эти предприятия оказались нерентабельны, как и заводы ожижения углей, и были демонтированы. Однако опытные работы продолжались в США, где некоторое время действовала установка производительностью 365 тысяч т/год, в ФРГ, в СССР и др. странах. С 50-х гг. начата пром. реализация в ЮАР, где экономич. обстановка была благоприятна (дешевые уголь открытой добычи и рабочая сила), а политич. ситуация требовала независимости от импорта. В 1951, 1981 и 1982 были введены три очереди заводов "Sasol", которые в сер. 80-х гг. перерабатывали 12-14 млн. т/год углей, в т.ч. 9 млн. т/год газификацией с выработкой жидких топлив до 2 млн. т/год, заменителя природные газа и широкой гаммы химический продуктов.

В 50-80-е гг. совершенствовались методы газификации и методы синтеза Фишера-Тропша (применение катализаторов в жидкой фазе, реакторы с псевдоожиженным слоем и др.). Альтернативой синтезу Фишера-Тропша (путь За) может быть синтез метанола, хорошо освоенный в промышленности.

Широкая производств. реализация пути 3 будет определяться в первую очередь эффективностью начальной стадии-газификации углей. В сер. 80-х гг. в пром. масштабе в мире действовало несколько сотен газогенераторов различные типов, многие из которых совершенствуются в основные путем применения повышенных давлений и температур; осуществлено по 3-5 смен "поколений" конструкций. В крупных опытно-пром. масштабах испытываются нетрадиц. методы газификации (в присут. катализаторов, в комплексе с атомными реакторами, в расплавах железа или солей и др.); многие новые конструкции газогенераторов опробываются в составе небольших предприятий по производству аммиака, уксусного ангидрида, а также в составе ТЭЦ.

Перспективы развития производства СЖТ. Масштабы внедрения термодинамически переработки сырья, его ожижения или газификации зависят от многие факторов, в т.ч. от степени интенсификации самих процессов, степени истощения запасов нефти и цен на нее и природные газ. Согласно техн.-экономич. расчетам и лрогнозам (1987), стоимость производства СЖТ, например методами ожижения углей, определяется величиной порядка 46 долл./баррель, высококалорийного газа (в пересчете на нефть 49,3 долл./баррель) с возможным снижением до 31 долл./баррель при реализации нового поколения технол. процессов. При такой стоимости производство СЖТ окажется рентабельным к 2000-2015.

Нецелесообразность немедленного крупномасштабного внедрения в промышленость процессов получения СЖТ не снижает, однако, значимости проблемы. До начала массового производства СЖТ необходимо развивать фундам. исследования и на опытных установках проверять разные технол. решения и работу оборудования для обоснования оптим. выбора процессов получения искусств. жидкого топлива.

Литература: Рапопорт И. Б., Искусственное жидкое топливо, 2 изд., М., 1955; Химические вещества из угля, под ред. Ю. Фальбе, пер. с нем., М., 1980; "Горючие сланцы", т. 1, № 1, 1984, с. 104-06; Уайтхерст Д. Д., Митчелл Т.О., Фаркаши М., Ожижение угля, пёр. с англ., М., 1986; Химия и переработка угля, М., 1988. И. В. Калечиц.

Химическая энциклопедия. Том 4 >> К списку статей


[каталог]  [статьи]  [доска объявлений]    [обратная связь]

 

 

Реклама
гантели в астрахани купить
Подставка для обуви RB ПО - 2/120
штатные магнитолы для chrysler
мойка для улицы

Рекомендуемые книги

Введение в химию окружающей среды.

Книга известных английских ученых раскрывает основные принципы химии окружающей среды и их действие в локальных и глобальных масштабах. Важный аспект книги заключается в раскрытии механизма действия природных геохимических процессов в разных масштабах времени и влияния на них человеческой деятельности. Показываются химический состав, происхождение и эволюция земной коры, океанов и атмосферы. Детально рассматриваются процессы выветривания и их влияние на химический состав осадочных образований, почв и поверхностных вод на континентах. Для студентов и преподавателей факультетов биологии, географии и химии университетов и преподавателей средних школ, а также для широкого круга читателей.

Химия и технология редких и рассеянных элементов.

Книга представляет собой учебное пособие по специальным курсам для студентов химико-технологических вузов. В первой части изложены основы химии и технологии лития, рубидия, цезия, бериллия, галлия, индия, таллия. Во второй части книги изложены основы химии и технологии скандия, натрия, лантана, лантаноидов, германия, титана, циркония, гафния. В третьей части книги изложены основы химии и технологии ванадия, ниобия, тантала, селена, теллура, молибдена, вольфрама, рения. Наибольшее внимание уделено свойствам соединений элементов, имеющих значение в технологии. В технологии каждого элемента описаны важнейшие области применения, характеристика рудного сырья и его обогащение, получение соединений из концентратов и отходов производства, современные методы разделения и очистки элементов. Пособие составлено по материалам, опубликованным из советской и зарубежной печати по 1972 год включительно.

 

 



Рейтинг@Mail.ru Rambler's Top100

Copyright © 2001-2012
(05.12.2016)