Синтетическое топливо

Беларусь заинтересована в совместных проектах с ЮАР в области энергетики, в частности, по переработке бурых углей в жидкое топливо. Об этом 6 июля по итогам первого заседания совместного комитета по торгово-экономическому сотрудничеству журналистам сообщил заместитель министра иностранных дел Беларуси Виктор Гайсенок. По его словам, этот проект обсуждался министром минеральных ресурсов и энергетики Южно-Африканской Республики Буйелвой Сонджики вместе с соответствующими белорусскими министерствами. «Мы изучаем возможности реализации подобного проекта в Беларуси и изучаем возможность привлечения для реализации этого проекта ЮАР», - подчеркнул Гайсенок.

Отметим, что белорусские ученые уже активно занимаются проблемами получения технологии по применению отечественных бурых углей в энергетике. Сейчас активно ведутся поиски инвесторов. Белорусская сторона предложила участие в совместном проекте компании «Shell», а также Китаю. Китай уже готов инвестировать в технологии по переработке бурых углей $120 млн.

К слову, запасы бурого угля в Беларуси оцениваются в 1,5 млрд т, в том числе разведанные (балансовые экономически целесообразные) — 160 млн т. В неогеновых отложениях известно 3 месторождения бурых углей: Житковичское, Бриневское и Тонежское. Их общие запасы по предварительным подсчетам составляют 76,6 млн т. Бурые угли Житковичского месторождения (Житковичский район Гомельской области) пригодны для использования в качестве энергетического и коммунально-бытового топлива. Уже известно, что при строительстве буроугольного карьера мощностью 2 млн т в год себестоимость добычи составит 12-15 долларов за тонну.

В соответствии с госпрограммой геологоразведочных работ до 2010 года «Белгеология» производит доразведку запасов Бриневского месторождения (Петриковский район Гомельской области) и производства из них высококалорийных энергоносителей данного месторождения. Результатом совместных работ белорусских ученых станет разработка технологии получения из бурых углей жидких и газообразных высококалорийных энергоносителей. Запасы Бриневского месторождения оцениваются в 30 млн т. Запасы Тонежского месторождения (Лельчицкий район Гомельской области) разведаны только предварительно в связи со сложными горнотехническими условиями залегания пластов. Бурые угли этих месторождений по показателям зольности и содержанию летучих веществ относятся к высококачественным углям.

Энергетики включили бурый уголь в перспективный план освоения местных видов топлива. Планируется ежегодно добывать около 4 млн т в год, что соответствует 3,7% от общего потребления котельно-печного топлива в республике на сегодняшний день и заменит 5-6% импортируемого природного газа.

Отметим, что для бурых углей характерна низшая теплота сгорания рабочего топлива 1500-1700 кКал/кг, влажность – 56-60%, средняя зольность – 17- 23%. В настоящее время их чаще используют как коммунально-бытовое топливо после брикетирования совместно с торфом.

Технологии производства

Белорусские ученые доказали пригодность бурых углей для сжигания в кипящем слое в котлах малой мощности. При этом наиболее перспективным является двухстадийное сжигание — генерация и дожигание полученных газов. Отметим, что эти способы экологически наиболее чистые, так как замена природного газа местными видами твердого топлива приведет к увеличению экологической нагрузки на окружающую среду. Так, для замены 1 млн т условного топлива природного газа необходимо сжечь 4,65 млн т бурого угля. При этом в атмосферу будет выброшено 0,52 млн т углерода, 33 тыс. 400 т углекислого газа, образуется 0,48 млн т золы, которую необходимо утилизировать. Многостадийный процесс сжигания бурых углей позволит избежать этого.

Российский ученый Борис Дубовский уверен, что рентабельная добыча нефти в России будет продолжаться всего лишь около 10 лет. Поэтому уже сейчас необходимо создавать новые высокотехнологичные отрасли по производству моторного топлива и ценнейших продуктов углехимии на новой сырьевой базе. В 70-80-е годы в России была создана экономически эффективная универсальная технология переработки угля методом гидрогенизации под невысоким давлением водорода 6-10 МПа, вместо 20-30 МПа в зарубежных процессах, позволяющая рентабельно производить из бурых и низкосортных углей высококачественный бензин, дизельное топливо, бензол и другие ценные продукты углехимии.

Автор научной статьи отмечает, что производство синтетического топлива из угля является энергоемким производством. Так, для энергообеспечения переработки 10 млн т бурого угля и получения из них 4 млн т жидкого топлива необходимо сжечь на теплоэлектростанциях до 10 млн т бурого угля. При этом 1 тонна сжигаемого угля на ТЭЦ дает около 4 тонн твердых и газообразных отходов.

Радикальное решение этой экологической проблемы былой найдено в 1986 году - вместо теплоэлектростанций начали использовать в качестве энергоисточника экологически чистые ядерные установки типа БН. Последнее обстоятельство приобретает особую актуальность после подписания федерального закона «О ратификации Киотского протокола к Рамочной конвенции ООН об изменении климата».

В СССР проблема производства синтетического топлива находилась под контролем политбюро ЦК. После распада СССР работы были приостановлены, и Россия потеряла на этом около 15 лет.

Во всем мире продолжались интенсивные работы в этом направлении. В ЮАР созданы предприятия производительностью до 10 млн тонн в год синтетического жидкого топлива. Япония строит завод в Индонезии производительностью до 10 млн тонн в год моторного топлива из угля. В США построен завод по газификации угля с энергообеспечением от атомного реактора Peach-Bottom с тепловой мощностью 115 МВт. Китай приступил к строительству завода производительностью до 5 млн тонн в год моторного топлива из угля по российской технологии.

Группа украинских ученых также считает перспективным производство синтетического жидкого топлива из бурого угля. Экономический потенциал каждой страны во многом зависит от наличия залежей полезных ископаемых и месторождений углеводородов на ее территории. Напомним, что Украина, как и Беларусь, не обладает собственными значительными запасами нефти: ежегодная добыча нефти составляет около 3 млн тонн, а газового конденсата 1,5 млн тонн.

Для обеспечения минимальных потребностей хозяйства Украины в нефтепродуктах только за счет собственного их производства необходимо перерабатывать на НПЗ 20-22 млн тонн нефти. Потребность Украины в нефти составляет около 35-40 млн тонн в год. За счет собственных ресурсов нефти покрывается только 20% потребности в энергетическом сырье. Остальные потребности в энергетическом сырье покрываются за счет импорта нефти из России и Казахстана.

Ограниченность запасов углеводородов не позволяет Украине глобально решить проблему увеличения собственной добычи энергетического сырья нефтяного происхождения.

В то же время Украина располагает собственной мощной ресурсной базой энергетического сырья, пригодного для производства синтетического жидкого топлива, в том числе бензина и дизельного топлива. Этим, альтернативным нефти, органическим сырьем является бурый уголь.

Основные запасы бурого угля в Украине сосредоточены на месторождениях Днепровского буроугольного бессейна (2,2 млрд т). В настоящее время добыча бурого угля в Украине осуществляется в четырех буроугольных районах Днепробасса: Александрийском, Ватутинском, Новомиргородском и Коростышевском. Мощность пластов 10-100 м.

Украина располагает значительными запасами бурого угля, пригодного для топливно-энергетического и химико-технологического использования. Наиболее перспективными для освоения являются Верхнеднепровское и Ново-Дмитриевское месторождения бурого угля.

Не исчерпаны сырьевые ресурсы Александрийского региона, в котором в настоящее время ведется добыча бурого угля. ГКХ «Александрияуголь» располагает достаточной сырьевой базой для строительства модульных установок производительностью 300– 500 тыс.т/год рядового бурого угля. Украинские геологи оценивают прогнозные ресурсы бурого угля в 7,4 млрд тонн в пределах Житомирской, Черкасской, Кировоградской, Днепропетровской, Запорожской и, частично, Винницкой и Киевской областях, из них балансовые запасы — 2,2 млрд тонн.

В эксплуатации находятся 5 шахт и 6 угольных разрезов на 8 месторождениях, расположенных в Житомирской, Черкасской и Кировоградской областях. Решение проблемы обеспечения двигателей внутреннего сгорания эффективными видами альтернативных топлив, изготовленных из ненефтяного сырья, имеет большую актуальность для Украины.

С целью создания современной технологии получения синтетических жидких топлив из бурого угля группа ученых осуществила цикл фундаментальных научных исследований состава и структуры бурого угля и закономерностей их изменения в зависимости от возраста. Украинские ученые установили физико-химические условия создания и распада разнообразных связей, которыми соединены между собой ароматические, гидроароматические, гетероциклические и алифатические фрагменты, входящие в состав высокомолекулярных природных полимеров угля. Так, для более молодых бурых углей характерно более высокое содержание гетероатомов, а макромолекулы в структуре этих углей соединяются между собой, преимущественно, с помощью электронно-донорно-акцепторных механизмов.

В процессе проведения исследований было обнаружено новое явление – при определенных условиях взаимодействия бурого угля с реакционной средой бурый уголь из твердого агрегатного состояния переходит в жидкое агрегатное состояние при комнатной температуре и атмосферном давлении, и установлены граничные условия фазовых переходов.

Это открытие позволило на его основе создать современную технологию получения синтетических жидких топлив из бурого угля. Эта технология включает следующие основные стадии: ожижение, очистку и плазмохимический каталитический крекинг.

На первой стадии осуществляется процесс ожиженния бурого угля. В размольно-смесительный аппарат, представляющий собой двухчервячный смеситель непрерывного действия, загружается бурый уголь и модифицирующие добавки. В процессе размола и гомогенизации компонентов смеси осуществляется модификация бурого угля: изменяется высокомолекулярная структура, состав фрагментов, разрушаются электронно-донорно-акцепторные связи, что приводит к деполимеризации бурого угля и превращению его в жидкую углеводородную смесь. 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. Очистка осуществляется оригинальным, не имеющим аналогов, способом – термо-гравитационной очисткой.

Установка термо-гравитационной очистки жидкого бурого угля не имеет вращающихся, изнашиваемых частей и фильтров, отличается низкими энергетическими затратами и эксплуатационными расходами.

На третьей стадии осуществляется углубленная переработка жидкого бурого угля в синтетическое жидкое топливо.

Группа ученых, работающих в области физики разрядных явлений, создала принципиально новую плазмохимическую технологию переработки жидкого бурого угля. В основу новой технологии заложены результаты фундаментальных научных исследований свойств плотной плазмы, позволившие обеспечить максимальную концентрацию электрофизического воздействия на объект обработки.

По новой технологии углеводородное сырье, в отличие от традиционного многоступенчатого процесса, перерабатывается в одну стадию. На выходе получают низкооктановый бензин, высокооктановый бензин, дизельное топливо и жидкое топливо для энергетических установок.

Переработка углеводородного сырья осуществляется в плазмохимическом реакторе, который представляет собой стальной вертикальный аппарат колонного типа. В корпусе реактора размещен стационарный слой катализатора необходимой высоты. Очищенное и подготовленное углеводородное сырье при комнатной температуре равномерно подается в колонну снизу. В колонну сверху подается мощный поток микроволнового излучения. В объеме катализатора генерируется микроволновая плотная плазма, катализатор и реагент разогреваются до рабочей температуры, в слое катализатора осуществляется каталитический крекинг углеводородного сырья и другие реакционные превращения. В верхнюю зону колонны поступает катализат в газообразном виде, который выводится из колонны и подается на последующую стадию приготовления топлива.

Для плазмохимической технологии переработки углеводородного сырья создан специальный полифункциональный катализатор, позволяющий в одну стадию при одном проходе углеводородного сырья проводить до 4-х реакций одновременно. При проведении процесса не требуется применение водорода. Содержание общей серы в углеводородном сырье не лимитируется, при этом ее содержание в готовых продуктах составляет не более 0,01%. Определены оптимальные параметры электрофизической активации системы катализатор-реагент, обеспечивающие значительное повышение эффективности каталитической конверсии углеводородного сырья.

Температура каталитических преобразований снижена в среднем в 2 раза. Каталитические процессы крекинга углеводородного сырья осуществляются в диапазоне температур от комнатной до 300°С и атмосферном давлении. При этом скорость реакционных процессов возрастает в среднем в 200 раз. Важным преимуществом плазмохимической технологии переработки углеводородного сырья является значительное упрощение и удешевление традиционных процессов его переработки с одновременным увеличением выхода бензина, дизельного топлива и других целевых продуктов и повышением их качества. Новая технология исключает затраты на проведение целого ряда сложных процессов. За счет этого капитальные и эксплуатационные затраты по сравнению с традиционной технологией снижаются в среднем в 10 раз.

Плазмохимическая технология переработки углеводородного сырья снижает энергоемкость производственных процессов.

Себестоимость синтетического жидкого топлива, получаемого из бурого угля, ниже, чем себестоимость жидкого топлива, получаемого из нефтяного сырья.

Главным преимуществом плазмохимической технологии переработки углеводородного сырья, безусловно, является предоставляемая ею возможность получения моторных топлив из альтернативного нефти твердого органического сырья - бурого угля, в экономически рентабельных условиях. Моторные топлива (бензин, дизельное топливо), полученные из бурого угля, по физико-химическим свойствам аналогичны моторным топливам, полученным из нефтяного сырья. Сжигание этих топлив в двигателях внутреннего сгорания не требует модификации двигателей.

Плазмохимическая технология переработки углеводородного сырья по совокупности параметров мировых аналогов не имеет.
Основные технологические процессы новой технологии исследованы и испытаны на пилотных установках.

Запасы бурого угля в Украине, мощность угледобывающих шахт, разрезов и предприятий по первичной переработке бурого угля позволяют на этой сырьевой и производственной базе организовать изготовление синтетического жидкого топлива в объеме 5,0 млн тонн в год.

Интересный факт

Оказывается, еще перед началом Первой мировой войны немецкий император Вильгельм поручил химику Ф. Фишеру разработать технологию получения жидкого топлива из бурого угля и только к 1934 году Фишер и Тропш получили первый качественный бензин. Американская компания Стандарт Ойл в 1933 году начала инвестиции в аналогичное производство. К 1941 году Германия вырабатывала до 4 млн тонн жидкого топлива в год, а советский разведчик Вилли Леман передал СССР информацию о работах по организации производства синтетического бензина из бурого угля. В 80-х годах в СССР было поставлено экспериментальное производство синтетического топлива (СТ-5) в Тульской области, но вследствие низких цен на нефть технология осталась не востребована.

Инвестиции в отрасль

Кстати, на модернизацию энергетической отрасли Беларусь планирует инвестировать около $5 млрд. Основным приоритетом энергетической стратегии должно стать повышение уровня энергетической безопасности государства. Для этого необходимо модернизировать и реконструировать мощности на существующих ТЭЦ и ГРЭС, а также внедрить новые производства и технологии. Предполагается, что в результате указанных мероприятий степень износа основных производственных фондов по энергосистеме республики к концу 2010 года снизится до 45%, а экономия условного топлива - более 900 тысяч тонн.

Отметим также, что до 2012 года в республике планируется возвести 50 мини-ТЭЦ, работающих на местных видах топлива (дрова, торф, бурые угли, и др.). Это позволит увеличить до 25% использование местных видов топлива в общем объеме потребления энергоресурсов.

Подготовил Александр ПАНИЧ