Введение в альтернативные и синтетические топлива
В последние десятилетия в мире растет обеспокоенность возможным сокращением добычи нефти. Это стимулировало развитие научно-технических программ во многих странах, направленных на создание альтернативных видов топлива — то есть топлив не нефтяного происхождения. Хотя в производстве некоторых заменителей низкокачественного котельного и газового топлива достигнут прогресс, важно понимать, что эти продукты не являются синтетическими моторными (транспортными) топливами.
Что такое синтетические моторные топлива?
Синтетическими углеводородами и моторными топливами (Synthetic motor or transportation fuels) называют углеводороды, их фракции и смеси, которые производятся из разнообразного сырья. К такому сырью относятся уголь, природный и попутный нефтяной газ, горючие сланцы, торф и биомасса. Ключевыми процессами в их производстве являются синтез Фишера-Тропша (FT-процесс, технологии FTL) и последующие процессы облагораживания (Upgrading), такие как гидрокрекинг, для улучшения качества промежуточных и конечных продуктов.
Биомасса как источник энергии
Биомасса занимает шестое место в мире по запасам среди доступных источников энергии и является крупнейшим возобновляемым ресурсом, используемым в мировом хозяйстве. Ежегодно используется более 500 млн тонн условного топлива для производства тепла, электроэнергии, биотоплива и биогаза. Основную часть (до 80%) составляет древесина, применяемая в развивающихся странах для обогрева и приготовления пищи. К биомассе также относятся целлюлоза, лигнин, отходы деревопереработки, сельскохозяйственные остатки (солома, шелуха) и другие органические вещества. Стоит отметить, что современные тенденции сместились от использования пищевых культур для биотоплива первого поколения к производству биотоплива второго поколения на основе непищевой биомассы — древесины, лесо- и агроотходов.
История и развитие синтеза Фишера-Тропша
Способ синтеза углеводородов из оксида углерода и водорода был изобретен немецкими химиками Францем Фишером и Гансом Тропшем в 1920-х годах. Первый промышленный реактор заработал в Германии в 1935 году. В 30-40-е годы XX века на основе этого синтеза производили синтетический бензин, дизельную фракцию и парафины. После Второй мировой войны интерес к дорогостоящим процессам FT угас с открытием новых крупных нефтяных месторождений, и почти все заводы были закрыты. Исключением осталась компания «Sasol» в ЮАР, которая сохранила и развила производство. Новый виток научно-технической активности в этой области начался в 1990-х годах, что привело к появлению современных проектов, таких как заводы по технологиям GTL (Gas-to-Liquids) и CTL (Coal-to-Liquids).
Технологические аспекты синтеза Фишера-Тропша
Синтез Фишера-Тропша позволяет получать углеводороды практически любой молекулярной массы. Процесс характеризуется большим тепловым эффектом, что требует точного контроля температуры. В промышленности используются различные типы реакторов: кожухотрубчатые со стационарным слоем катализатора и реакторы с псевдоожиженным (кипящим) слоем, как на установках компании «Sasol». Катализаторы на основе кобальта, железа, никеля или рутения работают при разных температурах и давлениях. Синтез-газ, поступающий на установку, должен быть тщательно очищен от серы и других примесей.
Производство синтез-газа и экономика процессов
Основным методом получения синтез-газа (смеси CO и H2) до сих пор остается паровая конверсия метана. Эта стадия является одной из самых капиталоемких в цепочке производства синтетических топлив, составляя от 40 до 70% общих затрат. Особый интерес в мире, начиная с середины 1990-х годов, вызывают технологии GTL (превращение природного газа в жидкие топлива). Благодаря разработке новых эффективных катализаторов и усовершенствованию технологий, стоимость конечного продукта снизилась, сделав эти проекты более перспективными. Прогнозируется строительство множества новых заводов GTL по всему миру, хотя их реализация по-прежнему требует огромных инвестиций.
Применение синтетических топлив
Синтетические топлива находят применение не только в автомобильном транспорте. Например, ЮАР с 1999 года использует синтетическое реактивное топливо в коммерческой авиации. ВВС США успешно провели испытания такого топлива на бомбардировщиках B-52 и транспортных самолетах C-17, поставив цель к 2025 году довести его использование до 70%. Испытания также прошли на самом большом пассажирском самолете Airbus A380.
Газификация как ключевой процесс
Газификация — это высокотемпературный процесс частичного окисления твердого углеродсодержащего сырья (угля, биомассы) для получения горючего газа (синтез-газа). Это один из старейших промышленных процессов, который остается чрезвычайно гибким. В зависимости от условий (тип окислителя, температура, давление) можно получать газ с разной теплотой сгорания. Существует множество методов газификации: в плотном слое (например, метод «Лурги»), в кипящем слое (метод «Винклера») или в потоке (метод «Копперс-Тотцек»). Современные тенденции включают повышение мощности установок, использование катализаторов и интеграцию процессов для совместной выработки электроэнергии (технология IGCC).
Газификация биомассы (BTL)
В технологиях BTL (Biomass-to-Liquids) для получения биотоплив второго поколения чаще всего газифицируют древесину и различные отходы. Процесс позволяет получить генераторный газ, который после очистки может использоваться для выработки тепла и электроэнергии в небольших установках или, теоретически, как сырье для синтеза Фишера-Тропша. Основные типы реакторов для биомассы — с плотным слоем (нисходящим или восходящим потоком газа) и с кипящим слоем. Несмотря на прогресс, системы очистки газа от смол остаются сложными и дорогими. В настоящее время газификация биомассы в основном применяется в малой энергетике для локальных нужд, а ее экономическая рентабельность часто требует государственной поддержки.
Быстрый пиролиз биомассы
Быстрый пиролиз — это термохимический процесс разложения биомассы при высокой температуре (500-900 °C) в отсутствие кислорода с быстрым охлаждением продуктов. Его главная цель — получение максимального выхода жидкой фракции, так называемого пиротоплива (бионефти). Это топливо имеет сложный состав, высокое содержание воды и кислорода, а также повышенную кислотность, что ограничивает его прямое использование. Для улучшения качества применяются методы фильтрации, смешения с растворителями и гидродезоксигенирования. Коммерческие установки быстрого пиролиза работают, например, у канадских компаний «Dynamotive» и «Ensyn Group». Однако создание на основе пиротоплива качественных моторных топлив сопряжено со значительными технологическими трудностями и затратами.
Повышение качества биотоплив и новые тенденции
Облагораживание неподготовленных биотоплив до уровня транспортных стандартов — сложная и капиталоемкая задача. Процессы, аналогичные нефтепереработке (гидроочистка, гидрокрекинг), требуют масштабных производств. Некоторые компании, например, «UOP» и «ENI», заявляют о разработках по производству «зеленого» дизельного топлива из растительных масел и жиров. Параллельно крупные нефтяные компании активно исследуют и другие альтернативы, включая добычу сланцевого газа. Хотя запасы сланцевого газа велики, его добыча связана с высокими затратами, сложными технологиями (горизонтальное бурение, гидроразрыв пласта) и потенциальными экологическими рисками, что ставит под вопрос его экономическую эффективность и безопасность в глобальном масштабе.