Syntetické kapalné palivo z uhlí, technologické vlastnosti a vyhlídky

Mezi hlavní zdroje energie dnes patří přírodní zdroje jako ropa, plyn a uhlí. Postupem času se poměr těchto druhů paliv mění, ale uhlí dnes zaujímá první pozici v zásobách. Hlavním problémem při použití tohoto hořlavého materiálu je vysoký obsah zbytkových zplodin hoření. Řešením tohoto problému byla umělá výroba kapalného paliva z něj. Tento typ syntetického paliva je mnohem pohodlnější pro spalování a také neobsahuje většinu složek škodlivých pro životní prostředí.

Vlastnosti a vyhlídky

Již v polovině minulého století začali v Rusku a řadě evropských zemí destilovat pevné uhlovodíky do kapalného stavu a využívat je jako alternativní zdroj energie. Největší pozornost je rozvoji této technologie věnována v asijských zemích, kde převažují ložiska pevných nerostů. Čína, která definovala proces transformace „černého zlata“ jako prioritní směr ve své zemi, již dosáhla značných objemů produkce.

Pokud mluvíme o černém uhlí, tak v současnosti se pro výrobu syntetického kapalného paliva používají tyto jakosti: D, G, OS, SS, T a A. Zbytek se častěji spaluje na výrobu elektřiny (tepelné elektrárny). Pro zpracování je nejperspektivnější hnědé uhlí – jeho zásoby jsou značné, ale kvůli nízké výhřevnosti se nerady kupují pro vytápění nebo výrobu elektřiny. Pokud se v těsné blízkosti ložiska nachází minizávod, lze náklady na dopravu snížit na minimum. Je možné destilovat ty nejmenší a dokonce i prachovité frakce. Ostatně pro dosažení nejlepšího výsledku se suroviny speciálně melou na prach. Náklady na suroviny jsou tedy také nevýznamné: tyto odrůdy mají nízké náklady.

Nejvážnější investice si vyžádá výstavba (pronájem) prostor a nákup vybavení. Ale co je dobré, je, že moderní instalace vyžadují minimální zásah člověka. Suroviny se nalijí do kotle a po nějaké době se produkt objeví na výstupu.

V závislosti na složení surovin a specifikách procesu můžete získat: benzín, petrolej, motorovou naftu, topný olej. Plyny uvolněné během procesu mohou být použity k zajištění požadované teploty hydrogenace (zkapalnění) nebo pro jiné potřeby. Náklady na energii jsou tedy také nízké. Dobrým příkladem minizávodu na zpracování hnědého uhlí na kapalné palivo domácí výroby je pyrolýzní závod „Prometheus“.

Podstata procesu a technologie

Z hlediska chemického složení je poměr vodíku k uhlíku v ropě poněkud vyšší než u uhlí (11-15 % u ropy, 4-8 % u uhlí). Cílem zkapalňování je dosáhnout vyššího poměru pomocí donorů vodíku.

Tekuté uhlí získané chemickou cestou lze použít jako kotlové palivo (obdoba topného oleje z ropy), metanol a motorové palivo (obdobně jako benzín). Dnes technologie úspěšně prošla všemi potřebnými testy a přinesla výsledky. Je však třeba vzít v úvahu, že výsledné produkty obsahují organické sloučeniny (dusík, kyslík, síra atd.) a nelze je použít bez dodatečného čištění.

Technologie je ve zkratce následující: vodík je dodáván do surovin rozemletých do práškového stavu při vysoké teplotě (od 400 do 500 o C) a odpovídajícím tlaku (až 300 kg/cm2). Jako zdroj vodíku lze použít odpad z rafinace ropy nebo určitou část dříve vyrobeného produktu. Když jsou takové podmínky vytvořeny, téměř všechna pevná paliva přejdou do kapalného stavu (bez přidání zdrojů vodíku se nepřemění více než 10 %).

Existuje ještě jeden proces. Touto technologií je tepelné zpracování. Jde o předběžné sušení s následným zkapalněním pomocí směsí uhlí a oleje. Vysušená surovina se postupně zahřívá bez přístupu kyslíku na 450-550 o C. Za těchto podmínek se uhlí začíná rozkládat na své základní ropné frakce. Tato fáze se také nazývá zplyňování. Dále se plynné frakce shromažďují a zkapalňují a pyrolýzní plyn a zbývající pevné frakce jsou posílány do pece, aby se zajistila požadovaná procesní teplota. To znamená, že tato technologie si sama zajišťuje energii pro vytápění.

Dnes je situace taková, že většina motorových paliv se vyrábí v ropných rafinériích, ale stále aktivněji se začíná rozvíjet i alternativní výroba. V současné fázi se vylepšují staré technologie a vyvíjejí se nové. Perspektivní je pro naši zemi především zpracování hnědého uhlí: jeho ložiska jsou velká, účinnost spalování na výrobu tepla není nejvyšší. Podle odborníků se trh se syntetickými kapalnými palivy začne v blízké budoucnosti rychle rozvíjet na pozadí nevyhnutelného snižování zásob ropy a zemního plynu. Pokud jde o vytápění, kotlům na kapalná paliva je jedno, z čeho je palivo vyrobeno. Hlavní věc je, že kvalita je vysoká. A pokud při správné kvalitě musíme za palivo do kotle platit méně, bude to jen radost.

Ze zprávy Dr. chemických věd B. Kuzněcovové.

Na začátku svého projevu řečník uvedl, že obecně lze stávající technologie získávání kapalného paliva z uhlí sloučit do dvou skupin: přímé zkapalňování uhlí, kdy se kapalné palivo získává okamžitě, a dvoustupňový proces, kdy se uhlí podrobí paro-kyslíkovému zplynování za vzniku syntézního plynu a následně katalytické zpracování, z něhož se nakonec získá motorové palivo. Každá z těchto technologií má své výhody a nevýhody.

Dále prof. B. Kuzněcov se obrátil k historii vývoje technologie získávání kapalných paliv z uhlí, která byla poprvé zvládnuta v Německu koncem 30. a začátkem 40. let 1970. století. Později začala podobná výroba v Jižní Africe a ropná krize v XNUMX. letech zesílila práce na zlepšení technologií po celém světě.

Co se týče rozvoje práce u nás, přes obrovské zásoby uhlí nejsou technologie zpracování uhlí na kapalné palivo tak rozvinuté jako v průmyslově vyspělých zemích a je vyvinuta pouze jediná tuzemská technologie získávání motorových paliv – přímé zkapalňování uhlí (vyvinuté Ústavem fosilních paliv). Byl úspěšně testován na poloprovozu s kapacitou 5 tun/den. Výstavba většího zařízení na povrchovém dole Berezovskij v Kansko-Achinské pánvi byla zahájena, ale nebyla dokončena. V 1980. letech 175. století byla postavena poloprovozní jednotka na pyrolýzu hnědého uhlí technologií Energetického ústavu (kapacita XNUMX tun uhlí za hodinu). Hlavními produkty byly pyrolýzní pryskyřice a polokoks. Instalace však nebyla z mnoha důvodů uvedena do projektového provozního režimu.

Je třeba říci, že za posledních 15 let se proces přímého zkapalňování uhlí výrazně zlepšil. Byla provedena technická vylepšení, která zvýšila jeho účinnost. Tyto práce byly prováděny na Ústavu chemie a chemicko-technologické fakulty a Ústavu fosilních paliv. Byly zvoleny účinné a cenově dostupné železnorudné katalyzátory a způsoby jejich aplikace, které umožnily snížit tlak na 7-10 MPa a zvýšit výtěžnost nízkovroucí kapalné frakce. Byly také vyvinuty způsoby aktivace katalyzátorů.

V rámci integračního projektu č. 100 byly optimalizovány podmínky pro tepelné zpracování sapropelitových uhlí z ložiska Bazarskoje, což umožnilo výrazně zvýšit výtěžnost složek motorových paliv oproti hnědému uhlí. Lehká frakce těchto produktů obsahuje uhlovodíky s 6-10 atomy uhlíku, tedy nejcennější složky motorových paliv. Bylo vyvinuto základní procesní schéma, které umožňuje získat 1 kg kapalných produktů z 200 tuny uhlí.

Pokud jde o technologie zpracování syntézního plynu, ve světě existují v současnosti různé zpracovatelské směry: syntézní plyn získaný Fischer-Tropschovým procesem se zpracovává na palivo pro dieselové turbíny, vysokooktanové palivo – benzín – se získává pomocí katalyzátorů obsahujících zeolit. Kromě toho existují způsoby získávání směsi nižších alkoholů, které se budou používat i jako motorová paliva.

Dochází k neustálému zdokonalování katalyzátorů pro Fischer-Tropschův proces – vyvíjejí se bifunkční katalyzátory pro syntézu vysokooktanových benzinů. Počet patentů věnovaných vývoji Fischer-Tropschových katalyzátorů neustále roste: v současnosti je jejich podíl přibližně 11 % z celkového počtu patentů věnovaných průmyslovým katalyzátorům. Staví se nové závody na výrobu katalyzátorů pro tento proces. Konkrétně v Nizozemsku v roce 2001 začali takový závod stavět a už funguje. Realizují se projekty související s využitím metanolu nebo jeho složky jako motorového paliva, směsi metanolu a nižších alkoholů (palivo alkanoid), které se rovněž získávají katalytickými procesy a používají se jak jako motorové palivo, tak jako přísada do benzínu.

Účinnost uvažovaných technologií získávání motorových paliv prostřednictvím syntézního plynu je dána nejen účinností použitých katalyzátorů, ale také nákladovými ukazateli procesu zplyňování uhlí. Největší podíl na ceně výsledného paliva mají náklady na syntézní plyn.

Nutno podotknout, že celková světová kapacita výroby syntézního plynu se neustále zvyšuje od roku 80. Lídrem v komerčním využití tohoto procesu je jihoafrická společnost Sasol and Qatar Petroleum, která ročně zpracuje na syntézní plyn asi 30-35 milionů tun uhlí. Tato technologie není jediná; bylo vyvinuto mnoho dalších možností a mnoho z nich bylo zvládnuto v průmyslovém měřítku. Mezi země s největšími dodávkami plynu patří Jižní Afrika, USA, Německo a Čína.

Sibiřská pobočka pracuje na zlepšení technologií zplyňování pomocí různých přístupů. Například v důsledku realizace interdisciplinárního integračního projektu byl navržen nový proces zplyňování hnědého uhlí na syntézní plyn se sníženým obsahem nežádoucích nečistot a nízkou spotřebou kyslíku.

V závěrečné části své zprávy se prof. B. Kuzněcov zabýval perspektivami rozvoje průmyslové výroby syntetických paliv z uhlí se zdůrazněním, že je nutné zohlednit dosavadní zkušenosti korporace Sasol, která neustále zvyšuje tempo svého vývoje a zdokonalování technologií. Kromě toho se plánuje výstavba továren v Nigérii, Austrálii, Jižní Americe, Číně a USA.

V souvislosti s rozsáhlou výstavbou továren na kapalná syntetická paliva v mnoha zemích světa se podle řečníka sníží poptávka po ruské ropě. Tyto nové globální skutečnosti musí být zohledněny ve scénářích ruského palivového a energetického komplexu a musí být zajištěny podmínky pro rozvoj prací na vytvoření průmyslu syntetických paliv se zapojením ruských vědeckých, technických a výrobních struktur.

Je vhodné vyvinout novou generaci domácích technologií pro výrobu syntetických paliv z uhlí v Kansko-Achinské pánvi, kde se uhlí těží levnou povrchovou metodou. Technicky je zde možné vytěžit až 1 miliardu tun hnědého uhlí ročně. KATEK vznikl před více než 20 lety, byl vytvořen státní cílový program jeho rozvoje, který počítal s vytvořením průmyslu syntetických paliv z uhlí. Vědeckou podporu těmto pracím poskytly moskevské ústavy spalitelných fosilií a energetiky a ústavy chemie a chemické technologie a KATEKNIIugol, organizované v Krasnojarsku. Za posledních 10 let tyto organizace utrpěly vážné personální ztráty a KATEKNIIugol byl zlikvidován. S ohledem na nashromážděné celosvětové zkušenosti je optimální strategií pro vytvoření průmyslu syntetických paliv přizpůsobit technologii Sasol, která využívá uhlí bohaté na vitamíny, ruskému uhlí. Výstavba závodu podobné kapacitě jako podnik Sasol si vyžádá investice ve výši 5 miliard dolarů. Tyto prostředky lze nalézt ve Stabilizačním fondu Ruské federace.