книги2 / geokniga-ekologo-ekonomicheskaya-i-socialnaya-effektivnost-geotehnologicheskih-metodov

организация отвода, образующегося в огневом забое вследствие газификации угля горючего газа. Этот низкокалорийный, но высокотемпературный газ используется в качестве дополнительного энергоносителя для производства электроэнергии или для целей химической его переработки с получением целого ряда ценных химпродуктов, включая жидкое моторное масло.

Вложение инвестиций в новую технологию - интеллектуальных, финансовых, материальных - позволит накопить опыт и обнаружить дополнительные возможности повышения технологической и товарной эффективности наземно-подземного комплекса. Важным моментом является то, что сырьевая база наземно-подземных ТЭС расширяется вследствие вовлечения в процесс теплоотдачи не только угля, но и углевмещающих пород, представленных, как правило, алевролитами и аргиллитами. При современных технологиях угледобычи эти породы вследс-твие малого содержания в них угольного вещества или не добываются, или при открытой разработке направляются в отвалы.

Добыча первичных энергоносителей (газа и угля) из угольных пластов со временем должна уступить место технологии их переработки во вторичный энергоноситель на месте, не вынимая из недр. На поверхность должны выдаваться не горная масса или газ, а разогретый их теплом пар, способный вращать турбину генератора. В отличие от нефтяных и газовых месторождений, углегазовые - позволяют организовать управляемое сжигание первичных энергоносителей в недрах. Понятно, что новая технология потребует затрат на возведение качественной огнестойкой изоляции стенок выработок на контакте с массивом; возведение дополнительных перемычек; приобретение передвижного электрогенератора; создание комплекта котлоагрегатов; оснащение контрольно-измерительной аппаратурой. Но все эти затраты невелики в сравнении с колоссальной экономией, которую получает такой энергокомплекс вследствие избавления от необходимости расходования средств на [186, С. 57]:

добычу угля и решение сопутствующих проблем (дорогостоящее добычное и горнотранспортное оборудование, большое количество подземных рабочих, аварии, экология);

строительство транспортных выходов с угольных месторождений; транспортирование угля к ТЭС и его потери; складирование угля, его дробление и измельчение на ТЭС; золоотвалообразование и рекультивацию земель;

улавливание выбросов от сжигания угля и плату за загрязнение окружающей среды и т.д.

В будущем освоение технологии угольными шахтами и компаниями сначала для удовлетворения собственных запросов в электро- и теплоэнергии, а затем и для коммерческой деятельности может привести к появлению в составе ТЭК Казахстана новой отрасли - подземной энергодобычи. Ее развитие позволит человеку получать конкурентоспособную энергию из угля, не добывая его. При реализации такого подхода к развитию энергетики возможно прорывное изменение экономического положения угольных предприятий, компаний и регионов.

241

11.1Целесообразность расширения сырьевой базы производства синтетических жидких топлив из углей

Впоследней четверти XX века и в первом десятилетии XXI столетия планетарный, глобальный характер воздействия производственной деятельности человека на природные ресурсы стал бесспорной реальностью. Человечество приблизилось к черте, за которой начинается исчерпание ряда полезных ископаемых — того вещественно-энергетического фундамента, на котором строится цивилизация. В использовании топливных ресурсов основной проблемой становится задача всемерной экономии ресурсов нефти, запасы которой быстро уменьшаются. Важное значение приобретают разработка ресурсосберегающей технологии, более широкое использование ядерной энергии и угольных ресурсов, и создание производства синтетического жидкого топлива из угля [188, С.19].

Не зря проблема производства жидких продуктов из угля на протяжении десятилетий находится в центре внимания исследователей и промышленности [189-191], поскольку ожидается, что уже ближайшие 10-15 лет станут этапом перестройки топливно-энергетических балансов развитых стран. Перестройка на фоне энергосберегающей политики будет означать вытеснение нефти там, где это возможно, природным газом и углем, развитие атомной энергетики, расширение производства энергии из возобновляемых источников и др. Такие сдвиги уже идут. Сейчас в мире реализуют проекты волновых и приливных электростанций, создаются ветряные энергетические установки и т. п. Однако заменить жидкие углеводороды другими энергоносителями удается далеко не везде. Нужно, кроме того, иметь в виду, что нефть и извлекаемые из нее жидкие углеводороды — незаменимое сырье для промышленности органической химии — скажем, производства полимеров. Между тем потребности химии в органическом сырье растут даже быстрее, чем потребление энергии. Вот почему уже в обозримом будущем не обойтись без промышленного производства заменителей нефти — синтетических жидких топлив (СЖТ) из угля.

11.2Производство жидкого топлива на основе процесса пиролиза

Обобщение мирового опыта показывает, что существует три основных способа получения жидкого топлива из угля: пиролиз, гидрогенизация и газификация угля с последующей переработкой синтетического газа в жидкое топливо с применением метода «Фишера-Тропша» или других технологий

(рис. 40).

Во всех трех способах необходимо присутствие водорода: или в самом процессе (как при гидрогенизации), или впоследствии (как при пиролизе и газификации) для обогащения первоначально получаемого из угля продукта.

242

мого при пиролизном процессе, направляется, как правило, на собственные нужды и лишь небольшая его часть отпускается на сторону. Из смолы, получаемой при полукоксовании углей, можно вырабатывать жидкое топливо, битум, широкую гамму химических продуктов (крезолы, резорцин, пирокатехин).

В настоящее время полукоксованием каменных углей в основном занимаются в Великобритании, а бурых углей – преимущественно в Германии. Процессам пиролиза уделяется большое внимание в США и Австралии, что позволяет получать в этих странах продукт и с большим содержанием жидких фракций, на основе которых разрабатывается процесс «Коулгаз».

В целом мировой опыт показывает, что применяемые на заводах схемы термической переработки углей методом полукоксования требуют относительно больших капитальных удельных вложений и эксплуатационных затрат. Выявлено, что уменьшение затрат на полукоксование углей и дальнейшее развитие этого направления могут быть достигнуты на основе совершенствования техники и технологии, расширения сырьевой базы и сфер потребления получаемой продукции. Сейчас научно-исследовательские разработки и опытные работы во всех странах, занимающихся решением данной проблемы, направлены на создание высокопроизводительного оборудования, в первую очередь аппаратов полукоксования, приспособленных к переработке углей мелких классов.

11.3Производство жидкого топлива на основе гидрогенизации углей

Жидкое топливо можно получать также методами прямой гидрогенизации угля, предварительной газификации угля и синтеза из газа, а также синтеза метанола и его последующей переработки. Как видно из табл. 13, наиболее эффективным из них является метод гидрогенизации угля.

Поскольку жидкие производные пиролизного процесса являются сложными по своему химическому составу смолы и мазуты, для получения из них топлива необходимой чистоты нужна гидрогенизация. По мнению многих специалистов, метод гидрогенизации углей - самый перспективный путь решения проблемы увеличения ресурсов жидкого топлива [193-195].

Таблица 13

Сопоставление различных методов получения синтетического жидкого топлива из угля

Так, И.П. Крапчиным [195, С.174-175] на основе капитальных вложений, предназначенных для непосредственного строительства заводов и сооружения объектов смежных отраслей, а также эксплуатационных затрат, связанных с переработкой углей и нефти, была определена сравнительная народнохозяйственная эффективность производства жидкого топлива различными методами и технологиями. В качестве вариантов приняты производства:

а) синтетического жидкого топлива гидрогенизацией углей; б) смолы полукоксованием углей и переработкой ее в жидкое топливо по

аналогии с нефтью; в) газа углей и синтезированного газа в жидкое топливо по методу

Фишера-Тропша.

Общим критерием их оценки явились приведенные затраты на 1 т жидкого топлива (без попутной продукции).

Как показали расчеты И.П. Крапчина, рассматриваемые варианты увеличения ресурсов жидкого топлива по своей эффективности (в порядке увеличения затрат на решение одной и той же хозяйственной задачи) располагаются в следующей последовательности:

-гидрогенизация углей;

-переработка легкосредной смолы полукоксования углей;

-газификация угля с синтезом газа.

По данным выполненных расчетов им сделан вывод о необходимости скорейшего завершения работ по отработке отечественной технологической схемы гидрогенизации углей, обеспечивающей производство жидкого топлива с относительно высокой сравнительной эффективностью.

Разрабатываемые в настоящее время методы производства жидкого топлива из угля гидрогенизацией можно подразделить на две группы – некаталитические и каталитические способы. Некаталитические способы предназначены для прямого высокоэффективного превращения угля в продукт, который сжижается при высокой температуре и минимальном потреблении водорода. Кстати подача водорода в процессе ожижения угля — наиболее дорогостоящая процедура. Цель данного способа — удаление углеродистых образований с высоким содержанием серы и минеральных осадков физическими способами и получение топлива, использующегося при производстве электроэнергии и в промышленных котлах, или выработка промежуточного сырья, из которого при дальнейшем обогащении получают высококачественное моторное топливо.

Цель ожижения угля вторым методом гидрогенизации - производство жидкого продукта, который можно непосредственно использовать в качестве тяжелой топливной составляющей нефти и сырья (сырой синтетической нефти) с последующей его очисткой до жидких моторных топлив. Этот процесс требует применения катализаторов (молибден, кобальт, никель, алюминий и др.), ускоряющих молекулярную перестройку угля. Он протекает при значительно более высоком давлении, чем при некаталитической технологии.

245

11.4Производство жидкого топлива на основе газификации углей и синтез газа по методу Фишера-Тропша

Альтернативами прямому ожижению угля могут послужить процессы непрямого ожижения угля, начинающиеся с его газификации. Полученный синтез-газ превращается либо в метанол, который рассматривают как заменитель бензина или его компонент, либо в смесь жидких углеводородов (синтез Фишера-Тропша), либо, наконец, в метан — заменитель природного газа. Основной аргумент в пользу непрямого ожижения угля — то обстоятельство, что процессы газификации, синтеза Фишера-Тропша, синтеза метанола, метанирования синтез-газа опробованы в промышленности, а разрабатываемый в ряде фирм и исследовательских учреждений процесс дегидратации метанола (так называемый процесс «Мобил») открывает возможность перехода сразу к высокооктановому М-бензину.

Однако непрямое ожижение угля, как многоступенчатый по сравнению с прямым ожижением процесс, во многих случаях оказывается менее эффективным из-за сравнительно низкого термического КПД.

Анализ показывает значительный разброс значений термического КПД этих процессов в силу различий сырья, степени утилизации теплоты, включения в число конечных тех или иных побочных продуктов, неодинакового качества техники и, наконец, расхождения методик оценки КПД [196, С.128].

На сегодняшний день ограничение масштабов производства синтетического жидкого топлива на основе газификации с последующей переработкой газа по методу Фишера-Тропша обусловливается трудностями как технического, так и экономического характера. К причинам технического характера следует отнести сложность технологии (тонкая очистка синтез-газа от соединений серы, точная регулировка температуры слоя катализатора) и отсутствие промышленных образцов газогенераторов большой единичной производительности.

Среди причин экономического характера, повлиявших на сокращение объемов, производства, а в некоторых странах и прекращение эксплуатации уже построенных заводов, можно назвать высокий уровень затрат на выработку промышленной продукции. Так, капитальные вложения на производство 1 т жидких продуктов на заводе в ЮАР при относительно низких затратах на добычу углей и дешевой рабочей силе составляют 1100 ф. ст. [195,

С.170].

Вместе с тем возникшие в последние годы трудности обеспечения потребности в жидком топливе и постоянный рост мировых цен на нефтепродукты вновь привлекли внимание к производству синтетического жидкого топлива из угля по методу Фишера – Тропша. Это вызвано также технической готовностью процесса к промышленному внедрению. На его основе представляется возможным решить проблему производства синтетического жидкого топлива из угля в более короткие сроки, чем по новым

246

схемам. Об этом свидетельствует опыт производства и использования нефтяного топлива из каменного угля в ЮАР.

Как известно, основным методом производства СНТ (синтетическое нефтяное топливо) из южноафриканского угля, характеризующегося низким содержанием водорода, является метод Фишера-Тропша (1925-1926 гг.), при котором получают смеси водорода и окиси углерода из угля и воды, реагирующих в присутствии металлических катализаторов. Уже известно девять различных модификаций метода Фишера-Тропша, которые разделяются на две основные группы — прямой (при высоком содержании водорода) и непрямой процессы. Поскольку добываемый в ЮАР каменный уголь имеет в целом низкий уровень содержания водорода, здесь используется в основном непрямой процесс перегонки, при котором смесь измельченного угля и нефти с помощью пара и кислорода испаряется, после чего пар в присутствии катализатора (железо, кобальт) преобразуется в жидкие углеводороды и различные примеси. Полученная таким образом синтетическая нефть перерабатывается в СНТ [197, С.51].

В целом опыт ЮАР свидетельствует о возможности существенной экономии нефти и нефтепродуктов, прежде всего моторных топлив, за счет развития производства и применения СНТ из каменного угля, а также о более полном комплексном использовании ресурсов угля, что имеет очевидные экономические преимущества.

11.5Развитие и современное состояние техники и технологии производства синтетического жидкого топлива

Производство синтетического жидкого топлива из твердых горючих ископаемых, в частности из бурых и каменных углей, имеет относительно длинную историю. Первые опыты по решению этой проблемы на основе метода гидрогенизации были проведены в Германии Ф. Бергиусом.

Поскольку нефть и уголь близки по химическому составу, Ф. Бергиус полагал, что не должно быть принципиальной разницы в поведении полимерных веществ, из которых состоит уголь, и тяжелых углеводородов, составляющих нефть, при гидрогенизации под высоким давлением и повышенных температурах.

Поэтому исследователь и воспользовался тем же методом гидрогенизации без катализаторов в опытах по ожижению угля, сначала полученного им искусственно, а затем природного каменного и бурого.

При сравнительном изучении поведения разных углей в процессе гидрогенизации под высоким давлением ученый сделал одно очень важное наблюдение. Оказалось, что золообразующие компоненты (SiО2, Al2O3, CaO, MgO и др.) не оказывают заметного отрицательного влияния на превращение угля и низкосортные, малоценные угли для обычного применения вполне пригодны для ожижения.

Разработанный Ф. Бергиусом на основе глубоких и обстоятельных

247

исследований новый способ ожижения угля открывал возможность получения искусственного жидкого топлива из самых дешевых его сортов, и прежде всего из бурого угля.

Вавгусте 1913 г. Ф. Бергиусу был выдан в Германии (а годом позже и во Франции) патент на его открытие.

Автор утверждал, что при нагревании угля в течение 12-15 ч при температуре около 400о С и давлении водорода 20 МПа можно получить 85% летучих веществ и растворимых продуктов. При этом расход водорода составляет примерно 10% [198, С.15].

В1922 г. городе Рейнау вблизи Мангейма была пущена первая полупромышленная установка, на которой жидкое топливо из угля получали непрерывным методом. Прошло еще пять лет и неподалеку от крупных залежей бурого угля в городе Мерзебурге известной немецкой фирмой «Фарбениндустри» (с которой Бергиус заключил контракт на десять лет) был построен крупный завод для получения искусственного жидкого топлива из угля производительностью 100 тыс. т в год. В 1935 г. английская компания «Стандарт Ойл» построила большой завод по переработке угля и угольной смолы, который вырабатывал 100 тыс. т бензина в год.

Вдальнейшем на заводах непрерывно шло совершенствование гидрогенизации углей и смолы. Были разработаны эффективные способы защиты аппаратуры от коррозии и повышения ее надежности в условиях работы при высоких температурах и давлениях. И, что особенно важно, для получения дешевого моторного топлива были найдены и освоены методы использования всех побочных продуктов и отходов, а также выделяющегося тепла.

В1940 г. в разных странах (Великобритания, Япония и др.) уже работали двадцать заводов, на которых жидкое топливо получали из угля путем его гидрогенизации.

Наибольшего подъема промышленность искусственного жидкого топлива достигла в 1940-1943 гг., когда годовой объем его производства во всем мире оценивался 7-8 млн. т, что составляло около 2% нефтедобычи тех лет. В тот период в мире было около 48 крупных заводов искусственного жидкого топлива.

Больше всего заводов (примерно половина), на которых вырабатывалось тогда около двух третей общего объема мирового производства, жидкого топлива находилось в Германии. Продукция германских заводов покрывала почти 75 % потребности страны в жидком топливе и 100 % — в авиационном бензине [198, С.18].

Широкие исследования по получению синтетического жидкого топлива из угля проводились в доведенные годы и в бывшем Советском Союзе (СССР). Были построены опытные установки в Харькове, Кемерове и Челябинске. Во время Великой Отечественной войны и послевоенный период были введены в

эксплуатацию три завода полукоксования угля в Черемхове, ЛенинскКузнецком и Ангарске, на которых вырабатывалось жидкое топливо путем гидрогенизации смолы, получаемой в свою очередь на основе полукоксования

248

черемховских и кузнецких каменных углей.

Вначале 50-х годов в Новочеркасске был построен цех по производству жидкого топлива на основе газификации твердых горючих ископаемых с

последующим превращением газа в жидкие продукты по методу Фишера - Тропша. Суточная производительность цеха по газу составляла 80 тыс. м3, а по суммарным углеводородам - 200 т [195, С.155].

Строительство и эксплуатация заводов указанного выше профиля во всех странах сохранялись до 50-х годов прошлого столетия, т.е. до открытия и освоения крупных высокоэкономичных месторождений нефти в СССР, на Ближнем Востоке, в Северной Африке и других регионах мира. В последующие годы по этой причине и причинам экономического характера многие заводы по производству синтетического жидкого топлива из углей были переориентированы на выработку другой продукции.

Дешевизна нефти, умело поддерживаемая политическими и экономическими маневрами транснациональных монополий, определила в 50- 60-х годах однобокость топливно-энергетических балансов европейских капиталистических стран: они ограничивались неглубокой переработкой импортируемой нефти, мазут постепенно вытеснял уголь, добыча которого неуклонно падала. Доля угля в производстве энергии во многих развитых странах мира снизилась до 20-25%. Поэтому проблема производства жидкого топлива из угля была отодвинута на задний план. Однако уже в начале 60-х годов стало ясно, что беспрецедентный рост потребления нефти как основного источника энергоресурсов не может продолжаться бесконечно.

Кроме того, в 70-х годах стоимость нефти на мировом рынке резко возросла. Большинство стран – потребителей нефти вступили в полосу энергетического кризиса, и вновь внимание привлек уголь как источник энергии, сырья для получения жидкого топлива, газа и химикатов.

В70-80-е годы XX века проблема производства жидкого топлива и газа из угля и горючих сланцев стала интенсивно разрабатываться в ряде стран мира, главным образом в США, где ресурсы нефти ограничены, а запасы дешевых углей и сланцев значительны. Исследования стали проводиться в Великобритании, ФРГ, Японии, Индии и ПНР.

Например, в Великобритании работы по ожижению угля в эти годы были сосредоточены в Научно-исследовательском институте угля Национального управления угольной промышленности и направлены на создание технологических процессов и оборудования для производства жидкого топлива

ихимического сырья. Были разработаны двухстадийные процессы, предусматривающие первоначальную мягкую термодеструкцию компонентов угля в присутствии растворителя с последующим удалением нерастворившегося остатка и минеральных веществ и каталитический гидрокрекинг извлеченного вещества. Применение двух стадий обеспечило гибкость при выборе исходного сырья и получение разнообразных продуктов, а также позволило более эффективно использовать водород. В середине 1981 г. была подготовлена техническая документация на сооружение опытной установки производительностью около 25 т угля в сутки. Кроме того, была

249

изучена возможность объединения процессов извлечения жидких продуктов и гидрокрекинга. Было проведено несколько экспериментальных прогонов установки, охватывающих до 20 последовательных циклов. Каждый цикл включал увеличение жидкого продукта и гидрокрекинг с регенерацией растворителя, используемого для повторной циркуляции до этапа извлечения жидкого продукта. Работа установки в течение 1000 ч была достаточно стабильной, а качество катализатора оставалось удовлетворительным и после 2 000 ч работы [199, С.35].

Начиная с 70-80-х годов прошлого столетия проблемы переработки твердых горючих ископаемых в жидкое топливо стали активно обсуждаться на мировых нефтяных и энергетических конгрессах. Были созданы проекты национальных программ, где углю в энергетическом балансе стала отводиться ведущая роль (в США проект «Независимость»; в ФРГ проект «Угольная нефть» и др.) [200, С.45].

Как следствие, в последние 15-20 лет в связи с постепенным сокращением запасов нефти и увеличением ее стоимости во многих странах мира стали интенсивно проводиться научно-исследовательские, проектноконструкторские и опытные работы, направленные на создание инновационной технологии производства синтетических топлив из угля, имея в виду организацию в перспективе производства из него бензина, дизельного и реактивного топлива, чистого газа для электростанций, синтез-газа и водорода для химической промышленности (получение метанола, аммиака и др. продуктов). Поскольку запасов угля намного больше, чем нефти, а в ряде стран они могут разрабатываться открытым способом при сравнительно невысоких затратах, уголь в перспективе станет дополнительным источником получения сырья и материалов, вырабатываемых в настоящее время преимущественно из нефти и природного газа.

11.6Характерные особенности новых технологий и процессов получения синтетических жидких топлив из угля

Для создания высокопроизводительной экономически эффективной технологии производства синтетического топлива из угля необходимо разработать новые процессы, так как существующие не могут быть использованы в перспективе для широкомасштабного производства.

За рубежом для повышения степени превращения органической массы угля (ОМУ), увеличения выхода жидких продуктов при умеренном расходе водорода, снижения энергозатрат, повышения производительности оборудования, а также для решения экологических задач создаются процессы третьего поколения. Характерными особенностями новых процессов являются: повышение производительности путем увеличения концентрации угля; уменьшение времени пребывания в реакционной зоне; смягчение условий процесса на стадии ожижения (снижение давления, температуры); снижение расхода водорода, добываемого путем подбора активных катализаторов; использование отходя-

250