Эколого-экономические аспекты глубокой переработки углей и получения из них синтетического жидкого топлива

В статье описывается возрастание значимости разработки технологий использования угля в качестве перспективного энергетического ресурса. Подчеркивается, что в Казахстане создание инновационных методов обогащения и переработки углей в топлива с новыми потребительскими свойствами является стратегической государственной задачей. Анализируется процесс получения моторного топлива из ненефтяного углеводородного сырья. Уделяется внимание способу получения  синтетического жидкого топлива путем прямой гидрогенизации исходного угля. Раскрывается сущность способа производства жидкого топлива на основе процесса гидрогенизации газа, предварительно полученного при газификации углей. На основе анализа научно-технической информации делаются научно обоснованные  выводы  о  состоянии  реализации  промышленной  технологии  гидрогенизации углей в мире. Рассматриваются проблемные вопросы, касающиеся строительства углехимического комплекса в Казахстане.

Подразделение видов топлива по агрегатному состоянию и происхождению

Все  топлива   по   агрегатному   состоянию   делятся   на   твердые,   жидкие   и   газообразные; по происхождению — на естественные и искусственные (см. табл. 1). Искусственные топлива получают в результате переработки  естественных топлив.

Виды топлива

Т а б л и ц а  1

         Виды топлива

Примечание. Использованы данные работы [1; 96].

Твердые топлива состоят из горючей органической массы, негорючей, или минеральных примесей и балласта. Органическая часть топлива содержит углерод, водород и кислород. Помимо этого в ней могут содержаться азот и сера. Негорючая часть топлива состоит из влаги и минеральных веществ.

Важнейшим жидким топливом является нефть, которая содержит 80–85 % углерода, 10–14 % водорода и представляет собой сложную смесь углеводородов. Помимо углеводородной части в нефти имеются небольшая неуглеводородная часть и минеральные примеси. Углеводородная часть нефти состоит из углеводородов трех рядов: парафинового (алканы), нафтенового (циклены) и ароматического (арены).

Газообразные парафиновые углеводороды от СН4 до С4Н10 находятся в нефти в растворенном состоянии и могут быть выделены из нее в виде попутных газов при добыче нефти. Жидкие парафиновые углеводороды от С5H12 до С15Н34 составляют основную массу жидкой части нефти и жидких фракций, получаемых при ее переработке.

Известно, что после страшного землетрясения в Японии и аварии на атомной станции Фукусима-1   от   строительства   атомной    станции    отказалась    Венесуэла;    отложила    работы по реализации проекта Болгария (по российским проектам). В Германии объявлен мораторий на продление сроков эксплуатации атомных станций. В Швейцарии приостановлены ядерные программы, которые предусматривают модернизацию действующих блоков и строительство новых АЭС.

«Заморожены» планы строительства пяти АЭС в Таиланде.

В этой ситуации в мировом энергетическом балансе возрастает роль традиционных энергоресурсов — угля, нефти, газа. В настоящее время в структуре потребления первичных энергоносителей на планете доминирует нефть, на ее долю приходится более 36 %; доля угля составляет почти 28 %, газа — 23,5 % [2; 32].

Безусловно, энергетика сегодняшнего дня не может существовать без нефти — главного источника  энергии. Нефть  — кровь  нашей  цивилизации.  Однако, по  мнению  экспертов,  запасы нефти, а также другого главного сырьевого ресурса энергетики — природного газа будут исчерпаны уже в ближайшие десятилетия. Так, по одним экспертным оценкам, предельное истощение запасов нефти и природного газа может наступить уже к 2035 г., по другим, более оптимистическим, этих ресурсов хватит на 100 и более лет. Кроме того, неустойчивость мировых цен на эти энергоресурсы не может создать стабильной основы для дальнейшего поступательного развития экономик стран мира. Немаловажен и еще один аспект — уязвимость магистральных трубопроводов.

Поскольку степень  истощения кровеносной системы  нашего мира  оценивается почти в 90  % по нефти и в 75 % по природному газу, встает закономерный вопрос: что же может стать заменой нефти в жилах цивилизации? Что может обеспечить ее жизнедеятельность, ее развитие и процветание?

Возрастание значимости создания технологий использования угля в качестве перспективного энергетического ресурса

В настоящее время уголь является одним из самых распространенных ископаемых видов твердого топлива, имеющий на протяжении довольно длительного времени самый быстрый рост потребления. Сейчас около 41 % произведенной электроэнергии в мире — угольная генерация. Отсюда  мировой  тенденцией  являются  разработка  и  создание  технологий  использования      угля в качестве наиболее перспективного (с учетом практически неисчерпаемых запасов) энергетического ресурса.

Уголь и в дальнейшем будет одним из главных энергоресурсов, способных удовлетворить основные энергетические потребности растущего населения и развивающейся мировой экономики. Согласно прогнозам МЭА и ВР ожидаемый темп роста потребления угля в мире в период до 2020 г. составит около 2 % в год, за период 2020–2035 гг. — 0,4–0,3 %. В течение следующего десятилетия уголь будет вносить самый большой вклад в рост потребления топлива для электрогенерации — к 2020 г. на его долю придется 44 %, к 2030 г. эта цифра снизится до 39 % [3; 42].

При этом важно отметить то, что угольная промышленность входит в первую дясятку отраслей промышленности,  оказывающих  наибольшее  негативное  воздействие  на   окружающую   среду. Это воздействие проявляется в выбросе вредных веществ в атмосферу, заборе воды из природных источников, сбросе загрязненных сточных вод в водные объекты, изъятии из землепользования и нарушении земель, образовании и размещении отходов производства во внешних породных отвалах.

В сложившихся условиях встает вопрос о рациональном использовании углей, понимая под этим максимально возможное в рамках экономической рентабельности и необходимых мер по охране среды потребление их полезных качеств.

В условиях крупных объемов добычи рациональное использование углей представляет собой важную задачу, которая предусматривает не только основные традиционные направления — собственно топливное и коксохимическое, но и достаточно широкий диапазон так называемых нетопливных видов их потребления  (рис. 1).

 Схема основных направлений переработки и использования органической части углей

Рисунок 1. Схема основных направлений переработки и использования органической части углей (данные работы [4; 239]) 

Как показывает зарубежный опыт, глубокая переработка углей позволяет экономить ресурсы природного газа и нефти и обеспечивать потребителей топливом в регионах, где есть месторождения угля, но нефтепереработка отсутствует. Проблемой обеспечения энергобезопасности путем глубокой переработки топлив занимаются все развитые страны мира, причем на государственном уровне.

Эта тенденция обусловлена тем, что продукты, получаемые в результате конверсии углей, могут не только эффективно заменить природный газ и жидкое топливо, но и служить исходным сырьем для производства экологически безопасных ультрачистых бензина, авиационного, ракетного и дизельного топлива, водорода и ценных химических веществ (восков, церезина и др.). Поэтому научнотехническим программам, предусматривающим разработку технологий переработки угля в продукты топливного и химического назначения, в странах — мировых лидерах придается не меньшее значение, чем программам по обеспечению национальной безопасности. Так, в США ежегодный вклад государства в проблему комплексного и рационального использования углей и сланцев составляет около 1 млрд долларов [5; 91].

В Казахстане создание рациональных, инновационных методов обогащения и переработки углей в топлива с новыми потребительскими свойствами является также стратегической государственной задачей.

Целесообразность развития глубокой переработки угля в Казахстане на современном этапе экономического развития

В 2014 г. была принята «Концепция развития топливно-энергетического комплекса Республики Казахстан до 2030 года», согласно которой в структуре производства электроэнергии угольные электростанции останутся базовой основой производительной системы экономики. Тем не менее к 2030 г. их доля в общем объеме выработки электроэнергии должна составить 55 %, по сравнению с нынешним уровнем — 74 % [6; 7].

 

В соответствии с «Концепцией по переходу к «зеленой экономике» [7; 2] к 2020 г. в республике планируется увеличение доли производства электроэнергии за счет возобновляемых источников энергии до 3 %, к 2030 г. — до 10 %, к 2050 г. — до 50 %, с учетом электроэнергии АЭС.

Подобный сценарий развития отечественной отрасли, в свою очередь, продиктован глобальными тенденциями, связанными с сокращением доли угольных электростанций в сфере генерации. Сегодня темпы добычи угля в Казахстане значительно опережают динамику спроса на внутреннем рынке энергоресурсов. При этом увеличения емкости рынка потребления можно ожидать лишь в долгосрочной перспективе, по мере роста населения, экономики, экспорта и других определяющих факторов, способствующих введению в строй новых угольных электростанций. Так или иначе, но уголь Казахстана в нынешних условиях требует поиска других сфер приложения, кроме печной топки.

Дело в том, что топливно-энергетический сектор республики (и прежде всего угольная отрасль) является одним из главных источников загрязнения окружающей среды. Как следствие, современная экологическая ситуация в Республике Казахстан характеризуется высоким уровнем антропогенного воздействия на природную среду и значительными экологическими последствиями прошлой хозяйственной деятельности. В свете реализации Стратегии «Казахстан – 2050» достижение стратегической цели государственной политики в области экологического развития предусмотрено осуществлять путем решения ряда социально-экономических задач, обеспечивающих экологически ориентированный рост экономики, среди которых одно из значимых мест отводится предотвращению и снижению негативного воздействия на окружающую среду.

Значит, на современном этапе экономического развития назрела острая необходимость в совершенствовании переработки угля, что может обеспечить качественное изменение потребительских свойств этой продукции и, соответственно, увеличить ее рыночную цену. Речь идет о выходе за пределы рынка энергетического угля и создании нового направления в угольной отрасли — углехимического, связанного с получением из угля продукции других переделов. Известно, что до настоящего времени в Казахстане целенаправленной работы в этом направлении не проводилось.

Получение синтез-газа и продуктов на его основе

Жидкое топливо, получаемое при переработке нефти, как в нашей стране, так и за рубежом используется  в  основном   различными   видами   транспорта   и   энергетическими   установками при производстве электрической и тепловой энергии. В связи с дальнейшим развитием всех видов транспорта, особенно автомобильного и авиационного, возрастает потребность в бензине, керосине, дизельном    топливе    и    других    продуктах    переработки,    получаемых    в    настоящее    время из традиционного сырья — нефти. Из-за ограниченности ее запасов в перспективе могут возникнуть проблемы в обеспечении страны моторным топливом на основе переработки нефти. В этой связи практическое  значение  приобретает  проблема  увеличения  ресурсов  жидкого  топлива.  Решать ее, в первую очередь, необходимо за счет повышения коэффициента извлечения  светлых нефтепродуктов (бензин, керосин) из перерабатываемой нефти.

Ресурсы жидкого топлива можно также увеличить за счет вовлечения в переработку нетрадиционных источников сырья.

Как считают специалисты [8; 48], для промышленности Казахстана и других стран мира  одним из перспективных направлений является получение углеводородов и других промышленно важных товарных продуктов из синтез-газа, природного газа, угля, биомассы и другого ненефтяного сырья. В условиях, когда запасы нефтяных месторождений в значительной степени истощились и, соответственно, возросла стоимость добычи нефти, проблема использования альтернативных источников получения бензина и других видов топлива стала реальной.

На рисунке 2 представлена схема получения моторного топлива из  ненефтяного углеводородного сырья: угля, биомассы и природного газа.

Получение моторного топлива из ненефтяного углеводородного сырья

Рисунок 2. Получение моторного топлива из ненефтяного углеводородного сырья (данные работы [8; 50]) 

Схемы переработки сырья близки: на первой стадии происходит превращение в синтез-газ (СО+Н2), затем синтез-газ перерабатывают в метанол (традиционная схема) или диметиловый эфир (ДМЭ), а также в жидкие углеводородные смеси, которые превращаются в моторное топливо (бензин, дизельное топливо).

Смесь монооксида углерода и водорода — «синтез-газ» — довольно легко получить из природного сырья пропусканием водяного пара над углем (газификация угля) или конверсией природного газа (состоящего в основном из метана) в присутствии 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 путем разложения органических отходов, так называемого биогаза [9; 66].

Существуют важные стимулы для применения способа превращения угля и природного газа в жидкое топливо: жидкое топливо легче транспортировать и использовать, чем уголь.

В последнее время внимание исследователей привлекли природный и попутный газы, которые при нефтедобыче в огромных объемах просто уходят в атмосферу. Производство синтетического жидкого топлива из природного газа очень выгодно экономически, поскольку газ трудно транспортировать: на его перевозку обычно затрачивается от 30 до 50 % стоимости готового продукта. Превращение газа прямо на месторождении в жидкие компоненты значительно снижает объем капиталовложений, затрачиваемых на его переработку.

Таким образом, из природного ненефтяного сырья можно получить синтез-газ, который далее превращается в жидкие и твердые углеводороды, по химическому составу близкие к продуктам фракционирования нефти.

Уголь — наиболее перспективное сырье для производства синтетического жидкого топлива

В связи с постоянно меняющейся конъюнктурой мировых цен на нефть и продукты нефтепереработки, истощением ее запасов проблема получения жидких углеводородов из угля приобретает актуальное значение. Например, в условиях Казахстана в качестве источников для  получения жидкого топлива могут быть использованы горючие сланцы, битуминозные пески и различные марки углей. При этом наиболее перспективным сырьем для производства синтетического жидкого топлива (СЖТ) признается уголь, как широко распространенный вид твердых горючих ископаемых. На базе углей было организовано производство синтетического топлива в прошлом (Германия, Россия); на его основе работают промышленные предприятия сейчас (ЮАР) и на него ориентируются в будущем (США, ФРГ, Польша, Китай и др.). При этом политика многих стран с большими запасами углей нацелена на то, чтобы планомерно обеспечить состояние технической готовности к тому моменту, когда замена нефти углем станет объективно необходимой либо с экономических позиций, либо в силу создания стратегической ситуации.

В настоящее время наиболее распространенные технологии получения СЖТ из угля  основаны на двух процессах [5; 92]: а) прямое ожижение, или гидрогенизация, — превращение органической массы угля под давлением водорода (до 300 атм.) в жидкие и газообразные продукты в   присутствии катализатора в среде растворителя при температуре до 500 °С, с последующим гидрооблагораживанием полученных жидких продуктов; б) косвенное ожижение, состоящее из стадии газификации угля, — для получения синтез-газа с последующим каталитическим синтезом углеводородов.

Реализация этих технологий предусматривает резкое расширение традиционной углехимической линейки с получением синтетической нефти, высокооктанового бензина, авиационного, ракетного и дизельного топлива, а также нафты, смазочных масел, парафинов, фенолов и другой углехимической продукции — сырья для основного органического синтеза.

Способ получения СЖТ путем прямой (деструктивной) гидрогенизации исходного угля

Гидрогенизация — один  из видов термической переработки угля, к числу которых относятся, в частности, полукоксование и коксование. Однако условия и режимы этой термической деструкции неодинаковы. Полукоксование и коксование — это разложение вещества без доступа кислорода, ведущее к повышению выхода твердого продукта. В случае же гидрогенизации тот же термический процесс, но в присутствии избытка водорода приводит к образованию главным образом жидких и газообразных продуктов при малом выходе твердого остатка (табл. 2). 

Выход продуктов при термической обработке и гидрогенизации углей в пересчете на горючую массу, %

Т а б л и ц а  2

 Выход продуктов при термической обработке и гидрогенизации углей в пересчете на горючую массу, %

Примечание. Использованы данные работы [10; 614]. 

Осуществление процесса гидрогенизации углей в промышленных условиях связано с большими трудностями, особенно если иметь в виду его экономичность и эффективность. Помимо характера исходного угля, большое значение имеет выбор режимов давления, температуры и катализаторов.

Первые промышленные предприятия по гидрогенизации угля в моторные топлива были построены в Германии еще в 1939 г. по технологии немецкого ученого — Бергиуса, основоположника гидрогенизации угля, разработанной в начале XIX в. Тонкоизмельченный бурый или каменный уголь затирался в масле, смешивался с измельченным катализатором и в виде пасты гидрировался   вначале в жидкой фазе при давлении 250–700 кгс/см2 и температуре около 450 °С. Полученное среднее масло (tкип до 325 °С) далее  вновь  гидрировалось  в  газовой  фазе  при  меньших  давлениях  (200– 300 кгс/см2), что в результате приводило к образованию бензина [10; 614]. По тем временам это было крупнейшее достижение, отвечавшее вершинам химии органического синтеза (способ ИГФарбениндустри).

В послевоенные годы в связи с развитием нефтяной промышленности производство синтетического горючего газа резко сократилось. Однако исследования в этой области продолжались и были направлены главным образом на модернизацию способа ИГ-Фарбениндустри, выявление новых типов  катализаторов,  снижение  давления  и  температуры  реакций,  уменьшение  расходов  водорода и исходного угля. Они проводились главным образом в бывшем Советском Союзе и США. Описание целого ряда проектов приведено в работах [10, 11].

Способ производства СЖТ на основе процесса гидрогенизации газа, предварительно полученного при газификации углей

В    основе    данного    способа    лежит    известный    синтез    Фишера–Тропша,        освоенный в промышленных масштабах в Германии в 20–40-х годах ХХ в. и получивший дальнейшее развитие во многих вариантах [12; 201].

В 1902 г., пропуская над мелко  раздробленным  никелем  смесь  окиси  углерода  и  водорода при температуре 250 °С, Сабатье получил метан:

СО + 3Н2   ® СН4 + Н2О.

В 1926 г. немецкие ученые Ф. Фишер и Тропш более детально изучили эту реакцию как при высоком, так и при атмосферном давлении в присутствии кобальтовых и железных катализаторов.

Оказалось, что при 100–200 атм. и температуре до 400 °С получается смесь, состоящая главным образом из кислородсодержащих продуктов, среди которых преобладают спирты; смесь эта была названа «синтолом». Превращение смесей монооксида углерода и водорода в синтез-газ обычно называют синтезом по Фишеру–Тропшу (FTS). Германия по этой технологии производит 15 % топлива (помимо химических веществ, включая воск в виде побочного продукта) [8; 48].

Следует отметить, что  во  время  Второй мировой  войны  синтетическое  топливо, полученное из угля, практически полностью покрывало потребности немецкой авиации.

При получении жидкого топлива на основе синтеза Фишера–Тропша разнообразные соединения углерода (природный газ, каменный и бурый уголь, тяжелые фракции нефти, отходы деревообработки) конвертируют в синтез-газ (смесь СО и Н2), а затем он превращается в синтетическую сырую нефть – синтнефть. Это смесь  углеводородов,  которая  при  последующей переработке разделяется на различные виды практически экологически чистого топлива, свободного от примесей соединений серы и азота. Достаточно добавить 10 % искусственного топлива в обычное дизельное, чтобы продукты сгорания дизтоплива стали соответствовать экологическим нормам [13; 44–52].

Из двух методов перевода угля в синтетическую нефть технология Фишера–Тропша является хорошо зарекомендовавшим себя, сформировавшимся процессом. Она применяется для преобразования синтетического газа, полученного из угля, в чистое, жидкое высококачественное топливо, включая сверхчистый дизель и топливо  для реактивных двигателей.

По мнению специалистов [14; 25], технология ФТ-синтеза имеет несколько преимуществ перед прямой гидрогенизацией угля:

  • производство сверхчистых продуктов (дизельного топлива, метанола) без содержания серы  и с низким содержанием твердых частиц;
  • переработка окисей азота на низких уровнях;
  • уменьшение выброса углекислого газа (СО2) путем технологии улавливания и хранения углерода (УХУ) или получения из него карбамида;
  • производство диметилового эфира из синтез-газа, который может использоваться как чистое дизельное топливо с температурой замерзания -183 °С;
  • использование низкокачественного угля, который доступен на внутреннем рынке в соответствующих географических регионах.

В   настоящее    время    в    качестве    катализаторов    синтеза    Фишера–Тропша  (ФТ-синтез), в зависимости от поставленных задач (повышение выхода бензиновой фракции, увеличение выхода низших олефинов и др.), используются как высокодисперсные железные катализаторы,  нанесенные на оксиды алюминия, кремния и магния, так и биметаллические катализаторы, железо-молибденовые, кобальт-железные, рутений-железные, рутений-медные и др.

Анализ научно-технический информации о состоянии дел по реализации промышленной технологии гидрогенизации углей

В целом, с учетом имеющейся научно-технической информации о современном состоянии дел по реализации промышленной технологии гидрогенизации углей, можно сделать определенные выводы [5; 92].

  1. В силу того, что к сырьевой базе для процесса гидрогенизации углей предъявляются жесткие требования (зольность — порядка 5–10 %, петрографический состав — не менее 75 % витринита, угли должны быть малометаморфизованы и не окислены), перспектива внедрения процесса гидрогенизации невелика, несмотря на то, что термический КПД его выше, чем у процесса косвенного ожижения.
  1. Опытная и  опытно-промышленная  эксплуатация  такого  процесса  (опытный  завод      СТ-5 в России, H – Coal в США, улучшенная немецкая технология в г. Ботропе, ФРГ, а также завод в Шеньхуа, КНР) свидетельствует о высокой абразивности суспензии угля в углеводородном растворителе как при ее нагреве, так и при последующей переработке.
  2. Определенный интерес для нашей страны представляет российский опыт разработки технологии производства жидкого топлива и химических продуктов из него (базируется на методе гидрогенизации). Согласно этой технологии гидрогенизационной переработке подвергается смесь, состоящая из 50% жидких тяжелых остатков собственного производства. В эту смесь добавляют активный катализатор и ингибитор, которые регулируют протекание реакций. В результате этого гидрогенизация осуществляется при относительно низком давлении водорода (10 вместо 30–70 МПа в технологиях других стран) с большим переходом органической массы угля в жидкие продукты (85–92%) и малым расходом водорода (1,5–2,7%). В этом состоят принципиальные преимущества российской технологии по сравнению с технологиями, разработанными в США и Германии и подготовленными к внедрению. Технология реализована на опытном заводе СТ-5, построенном при шахте «Бельковская» Подмосковного бассейна. В результате ее эксплуатации установлено, что при переработке углей Канско-Ачинского бассейна получаются следующие виды продукции: бензин (23 %), дизельное топливо (62 %), топливо Т-8а (7 %) и другие (8 %). На производство 1 т жидких (обезличенных) продуктов расход углей с теплотой сгорания 3500 ккал/кг составляет примерно 5 т, включая выработку пара и электроэнергии [15; 17].

На    основе    имеющихся    экспериментальных    данных,    полученных    на    опытном  заводе с привлечением фактических материалов, касающихся производства жидкого топлива из традиционного сырья — нефти, выполнена экономическая оценка технологической схемы производства бензина, дизельного топлива и других продуктов из углей.

Экономическая оценка производства жидкого топлива выполнена для следующих условий [15; 18]:

  • промышленное предприятие размещается в районе добычи сырья, в качестве которого используются бурые угли Березовского месторождения Канско-Ачинского бассейна;
  • годовая мощность предприятия по всем видам жидкого топлива принята в размере 0,5 млн т (рекомендована разработчиками технологии).

При этом оценочные показатели эффективности производства жидкого топлива и химических продуктов характеризуются следующими величинами (табл. 3).

Т а б л и ц а  3

Экономическая эффективность производства жидкого топлива и химических продуктов из бурых углей Канско-Ачинского бассейна (Россия)

 Экономическая эффективность производства жидкого топлива и химических продуктов из бурых углей Канско-Ачинского бассейна (Россия)

Примечание. Использованы данные работы [15; 18]. 

На основании данных таблицы 3 можно утверждать, что предприятие рассматриваемого типа (по производству жидкого топлива) будет иметь приемлемые показатели работы в рыночных условиях.

  1. Для осуществления  процесса  необходим  значительный  расход  молекулярного    водорода (в среднем 6–9 %) как на саму стадию гидрогенизации, так и на последующие стадии гидрооблагораживания полученных дистиллятов с целью получения из них топлив, соответствующих стандартам Евро-4 и
  2. Следует создать промышленно надежную технологию переработки шлама — смеси высококипящих жидких продуктов и остаточного угля, с выделением растворителя, рециркулируемого на стадию приготовления угольной суспензии, а также утилизации зольного остатка предпочительно газификацией с целью производства водорода.
  3. Для коммерческой привлекательности такого процесса нужно разработать дешевые однопроходные катализаторы, поскольку регенерация или активирование катализаторов из-за осаждения на них компонентов минеральной части угля резко усложняет и удорожает сам процесс.
  4. Известно, что преобразование угля газификацией в синтез-газ — капиталоемкое производство, на его долю приходится 60–70 % общих капитальных затрат, поэтому модернизация стадии газификации — одна из острых задач современности. В последние годы в ряде стран проводятся интенсивные исследования по уменьшению таких затрат.

Обобщение мирового опыта получения жидкого топлива из углей, сделанное авторами статьи [5; 92, 93],  показывает  наличие  на  сегодняшний  день  различных  научно-технических  разработок в этой области.

Во-первых, для промышленного осуществления процессов газификации разработаны различные конструкции газогенераторов, позволяющие проводить этот процесс как для кускового (в плотном слое), так и для пылевидного угля (в псевдоожиженном слое и в потоке частиц твердого топлива), в виде водоугольной суспензии при атмосферном и повышенном давлении. Так, при газификации углей в потоке по технологиям Lurgi, Пинч-Хиллебранд-синтез-газ, Копперс-Вельцгаз, ПинчХиллебранд и технологии парокислородной газификации пылевидного топлива (процесс KoppersTotzek, Shell-Koppers, ФРГ) организовано промышленное производство энергетических газов, пригодных для получения синтез-газа. В Германии, Греции, Японии и других  странах работают  более 10 промышленных  установок  газификации  угольной  пыли  по  методу  Koppers-Totzek.  Имеются 16 промышленных  установок,  на  которых  эксплуатируются  около  40  агрегатов  по      технологии в кипящем слое HTW (Hoch-TemperaturWinkler) и KRW (Kellogg-Rust-Westinghouse) (Германия). Стоимость таких производств составляет 750–800 млн евро. В США и Канаде идет создание промышленных предприятий для переработки 40 млн т угля с производством 190 тыс. баррелей/сут. СЖТ (затраты 2,5 млрд долл. США).

Во-вторых, наиболее эффективно в промышленности реализована технология  газификации углей по методу Тексако (Компания Дженерал Электрик), где в качестве сырья используются водоугольные суспензии. Первый завод по газификации угля был запущен в 1978 г. На сегодня в эксплуатации находятся 13 газовых заводов, в которых работают 43 газогенератора, в стадии проектирования и строительства — еще 18 заводов. Получаемый газ служит сырьем для производства метанола, аммиака, уксусной кислоты, мочевины, заменителя природного газа. Планируется отработка производства этим методом СЖТ на ряде заводов, сооружаемых в Китае.

В-третьих, новейшей разработкой можно считать разработанный корпорацией «Пратт-Уитни» прямоточный газогенератор, работающий на угольной пыли, в котором капитальные вложения сокращены в несколько раз. Уже начаты опытно-промышленные испытания этого газогенератора.

В-четвертых, синтетическая нефть, полученная при газификации углей, превосходит основные марки нефти (арабскую, Brent, суматранскую легкую) по содержанию дизельных фракций на 5–10 %, она не содержит практически серы и азота. По своим свойствам и составу синтетическая нефть ближе всего к стабильному газовому конденсату. Рынок такой нефти — это самый большой, доступный и практически неограниченный рынок продукции CTL. Синтетическая нефть на мировых рынках торгуется с премией примерно 30 % по отношению к ценам (в расчете цены на тонну) североморской марки Brent.

Таким образом, возврат к эре угля немыслим без развития новых технологий его переработки. Производство новых видов высококачественного топлива, в том числе газификацией угля уникальным  прямоточным  способом,  —  это  именно  те  технологии,  которые  способны  сделать   уголь как источник энергии непревзойдённым в экономическом и экологическом аспектах.

Исследования отечественных ученых по определению влияния количества полиэтилена — пастообразователя на получение жидких продуктов из угля

Энергетической стратегией Республики Казахстан до 2030 г. предусматривается превращение угольной промышленности в устойчиво функционирующую и рентабельную отрасль. Одним из направлений решения данной проблемы является организация производства из углей синтетических жидких топлив и сопутствующих продуктов.

Казахстанскими учеными [16; 85] выявлено, что в процессе гидрогенизации угля тип пастообразователя оказывает существенное влияние на степень конверсии ОМУ (органическая масса угля). Поэтому были проведены исследования по определению влияния количества полиэтилена — пастообразователя на получение жидких продуктов из угля, включающего приготовление смеси угля, пастообразователя и  железосодержащего  концентрата  Балхашского  месторождения,  содержащего в своем составе Fe — 32,8 %, S — 15,53 %, подвергнутого механохимической обработке. Нагревали полученную смесь под давлением водорода от 1 до 5 МПа, с последующим выделением целевых продуктов. В качестве пастообразователя использовали полимерные материалы, такие как полиэтилен, в количестве 10–75 % к весу смеси.

Эксперимент проводили следующим образом: 5 граммов смеси сухого бурого угля Каражирского месторождения с размером частиц менее 0,1 мм и полиэтилена с размером частиц менее 0,5 мм, взятого в количестве от 10 до 70 масс. % к весу смеси уголь–полиэтилен, помещали в стальной вращающийся автоклав объемом 0,5 литра, добавляли концентрат, содержащий около 32,8 % Fe и   15,53 %  S.   В   закрытый   автоклав   подавали   водород   до   давления   5   МПа.   Автоклав   нагревали при непрерывном перемешивании до 430 °С и выдерживали при этой температуре в течение 60 минут, при этом давление в автоклаве составляло 6 МПа. После охлаждения автоклава отделяли газообразные продукты и далее непосредственно из автоклава — фракцию, выкипающую до 200 °С, вымораживая ее в азотной ловушке. Твердый продукт отделяли и отфильтровывали.

Из таблицы 4 видно, что выход жидких продуктов с температурой кипения ниже 200 °С составил 12 масс. % в расчете на вес загружаемой смеси. Выход жидких продуктов с температурой кипения выше 200 °С составил 30 масс. %. Степень конверсии смеси в жидкие и газообразные продукты, определенная по весу твердого остатка, составила 70 масс. %.

Влияние полиэтилена и состава смеси на выход жидких продуктов гидрогенизации

Т а б л и ц а  4

 Влияние полиэтилена и состава смеси на выход жидких продуктов гидрогенизации

Примечание. Использованы данные работы [16; 84].

Как показало проведенное исследование,  при содержании  полимерного  материала  в смеси  менее 10 масс. % степень конверсии смеси в жидкие и газообразные продукты невысока, что препятствует эффективному осуществлению процесса. Степень конверсии угля и выход легкокипящих продуктов растут при увеличении количества синтетического полимерного материала в смеси до 70 % в расчете на вес смеси. Дальнейшее увеличение содержания полимерного материала в смеси не приводит к существенному изменению этих показателей процесса (табл. 4). Предлагаемый способ получения жидких продуктов из угля позволяет увеличить выход легкокипящей углеводородной фракции от 12 до 60 масс. %.

Преимуществом предлагаемого способа получения жидких продуктов из угля является высокий выход углеводородных продуктов, выкипающих до 200 °С, исключение из технологической схемы процесса стадии выделения и гидрооблагораживания пастообразователя, возможность утилизирования промышленных и бытовых отходов полимерных материалов.

Проблемы строительства углехимического комплекса в Казахстане

В настоящее время Казахстан занимает 8-е место в мире по подтвержденным запасам угля всех видов, которые оцениваются в 150–160 млрд т (4 % от общемирового объема). Данное количество запасов угля позволяет рассматривать его не только как сырье для угольных электростанций, а также использовать в термохимических и термокаталитических процессах, в результате которых возможно получение широкого спектра ценных продуктов. Для углей Казахстана, учитывая их уникальные технологические свойства, было бы целесообразно применить технологическую схему комплексной переработки, с получением базовых продуктов для нефтехимического синтеза, а также с извлечением ценных редкоземельных металлов.

Вместе с тем строительство углехимического комплекса (УХК) в РК требует серьезного подхода по выбору как угля, так и технологии. УХК целесообразно разместить на Тениз-Коржункульском угольном бассейне в Тургайской впадине, где сосредоточено порядка 50 млрд т.

Технико-экономический анализ, проведенный компанией Clean Coal Gas LTD (Швейцария), показал, что только при комплексной переработке угля по технологической схеме, представленной на рисунке 3, можно добиться высокой рентабельности производства моторного топлива, электроэнергии и минерального удобрения. 

  Комплексная технология переработки угля Казахстана

Рисунок 3. Комплексная технология переработки угля Казахстана (данные работы [14; 26]) 

Как показано в таблице 5, при производстве только дизельного топлива из угля Казахстана срок окупаемости проекта составляет 5,4 года, прибыль при 6 модулях — 361 млн долларов в год.

Т а б л и ц а  5

Экономические расчеты по установке для производства дизельного топлива из углей

 Экономические расчеты по установке для производства дизельного топлива из углей

Примечание. Использованы данные работы [14; 26].

Очень важным аспектом при переработке является проблема утилизации диоксида углерода, которая требует дополнительных затрат для производства минерального удобрения. Расчеты показывают (табл. 6), что при утилизации диоксида углерода с производством мочевины срок окупаемости уменьшается, а чистая прибыль предприятий растет за счет побочного продукта.

Т а б л и ц а  6

Предварительные экономические расчеты производства жидкого синтетического топлива из угля и мочевины из СО2

 Предварительные экономические расчеты производства жидкого синтетического топлива из угля и мочевины из СО2

Примечание. Использованы данные работы [14; 27]. 

Основным продуктом такого предприятия является жидкое синтетическое топливо, не содержащее в своем составе вредных примесей, отвечающее по качеству мировому стандарту. Стоимость моторного топлива за один литр составляет 0,23 доллара США.

 

 

Список литературы 

  1. Васильева И.Н. Экономические основы технологического развития: Учеб. пособие. — М.: Банки и биржи, ЮНИТИ, 1995. — 160 с.
  2. Уголь в мировой экономике: Междунар. науч.-практ. конф. // Уголь. — 2011. — № 6. — С. 31–35.
  3. Клишин В.И., Писаренко М.В. Научное обеспечение инновационного развития угольной отрасли // Уголь. — 2014. —№ 9. — С. 42–45.
  4. Лебедев В.В., Рубан В.А., Шпирт М.Я. Комплексное использование углей. — М.: Недра, 1980. — 239 с.
  5. Алексеев К.Ю., Горлов Е.Г., Шумовский А.В. Современные условия для промышленной реализации процессов СЖТ из углей в России // Уголь. — 2012. — № 8. — С. 91–93.
  6. Нургалиев Д. Избыточные мегаватты // Казахстанская правда. — 2015. — 30 янв. — С.
  7. Комментарий к  Указу  Президента  Республики  Казахстан  «О  Концепции  по  переходу  Республики      Казахстан к «зеленой экономике» // Казахстанская правда. — 2013. — 1 июня. — С.
  8. Досумов К., Ермагамбет Б., Чурина Д. и др. Катализаторы получения жидких углеводородов из синтез-газа //Промышленность Казахстана. — 2013. — № 2 (77). — С. 48–53.
  9. Белоконева О. Синтетический бензин // Наука и жизнь. Химия. — 2004. — № 11. — С.
  10. Химические вещества из угля. — М.: Химия, 1980. — 614 с.
  11. Кричко А.А., Лебедев В.В., Фарберов И.Л. Нетопливное использование углей. — М.: Недра, 1978. — 215 с.
  12. Волков В.Н. Геология и охрана ресурсов ископаемых углей (месторождения мощных угольных пластов). — Л.: Недра, 1985. — 216 с.
  13. Курбатов Н.И., Зайцев А.К. Конверсия природного газа в жидкое топливо // Потенциал. — — № 11. — С. 44–52.
  14. Ермагамбет Б., Касенов Б., Досумов К. и др. Глубокая переработка углей Казахстана // Промышленность Казахстана. — 2014. — № 1 (82). — С. 24–28.
  15. Крапчин И.П., Кузьмин Т.И. Технические возможности и экономическая эффективность расширения сфер и направлений использования углей в обозримой перспективе // Уголь. — 2011. — № 6. — С. 14–18.
  16. Тулепов М., Сасыкова Л., Атаманов М. и др. Гидрогенизация угля в присутствии катализаторов-концентратов Балхашского месторождения // Промышленность Казахстана. — 2015. — № 3 (90). — С. 82–86.
Фамилия автора: Р.С.Каренов
Год: 2015
Город: Караганда
Категория: Экономика
Яндекс.Метрика