Культура

Синтетическое жидкое топливо: как всё начиналось

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

Нефть – это смесь углеводородов (алканов и циклоалканов). Простейший алкан – газ метан. Кроме метана нефть содержит и некоторые сернистые и азотистые примеси. Например, бензин – легкокипящая фракция нефти, содержащая короткоцепочечные углеводороды с 5–9 атомами. Это основной вид моторного топлива для легковых автомобилей и небольших самолётов. Керосины более вязкие и тяжёлые, чем бензин: они состоят из углеводородов с 10–16 атомами углерода. Керосин стал основным видом топлива для реактивных самолётов и ракетных двигателей. Газойль – более тяжёлая фракция, чем керосин. Дизельное топливо для двигателей, установленных на тепловозах, грузовиках, тракторах, содержит смесь фракций керосина и газойля. Истощение природных нефтяных месторождений вовсе не грозит человечеству тотальным дефицитом моторного топлива. Вещества, по химическому составу похожие на бензин, керосин или дизельное топливо, вполне можно получить из углеродного сырья ненефтяного происхождения. Химики решили эту задачу ещё в 1926 году, когда немецкие учёные Ф. Фишер и Г. Тропш открыли реакцию восстановления монооксида углерода (СО) при атмосферном давлении. Оказалось, что в присутствии катализаторов можно синтезировать в зависимости от соотношения водорода и монооксида углерода в газовой смеси жидкие и даже твёрдые углеводороды, по химическому составу близкие к продуктам фракционирования нефти. Смесь монооксида углерода и водорода, получившую название «синтез-газ», довольно легко получить из природного сырья: пропусканием водяного пара над углём (газификация угля) или конверсией природного газа (состоящего в основном из метана) водяным паром в присутствии металлических катализаторов. Синтез-газ образуется не только из угля и метана. Очень перспективны биотехнологические методы: термохимическая или ферментативная переработка отходов растительного сырья (биомассы) и конверсия газа, полученного путём разложения органических отходов, так называемого биогаза.

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.

Источник: ЛГ № 48, 2013

← Вернуться к списку