Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Химическая технология переработки газового сырья. Химия синтез-газа. Учебное пособие
.pdf
Рис. 8.3. Сравнение частоты возникновения пожаров, случаев
гибели и увечий, вызванных использованием разного топлива
8.5. Экологический аспект производства и применения метанола
8.5.1. Метанол и окружающая среда
Метанол попадает в атмосферу из самых разных природных
источников, например, из вулканов, микробов, растений, животных и
при разложении органического вещества. Антропогенный (вызванный
деятельностью человека) выброс метанола в окружающую среду
происходит в настоящее время главным образом при испарении,
потому что он широко используется как растворитель. Значительно
меньше метанола попадает в воду и землю. В окружающей среде
метанол быстро разрушается в результате процессов фотоокисления и
биологического распада. Это, в частности, является причиной, по
которой метанол широко используется в жидкостях для мойки
ветровых стекол. Метанол быстро разлагается как в аэробных (в
присутствии воздуха), так и в анаэробных (в отсутствие воздуха)
141
условиях, в пресной и соленой воде, грунтовых водах, в осадках и
почвах, и нет данных о том, что он накапливается в биологических
объектах. Метанол является обычным ростовым субстратом
(источником углерода и энергии) для многих микроорганизмов,
которые обитают в почве и способны разлагать метанол до СО
2
и
воды. Метанол малотоксичен по отношению к водным и земным
организмам, и поэтому попадание в окружающую среду при обычных
условиях вряд ли окажет серьезные экологические последствия.
В настоящее время метанол используют для денитрификации
сточных вод на очистных сооружениях. Добавка метанола в ходе
этого процесса ускоряет превращение нитратов в безопасный
газообразный азот под действием анаэробных бактерий. Если нитраты
сбрасываются в природные воды в больших количествах, они могут
накапливаться в реках, озерах, океанах и оказывать разрушительные
эффекты на водную экосистему. Избыточное содержание нитратного
азота вызывает чрезмерно быстрый рост морских водорослей,
который препятствует доступу кислорода и солнечного света в
глубоководные слои. В результате часто происходит замор рыбы, а
также всей водной флоры и фауны в глубине от водной поверхности.
Нельзя исключить случайное попадание метанола в
окружающую среду при его производстве, транспортировке и
хранении. Однако по своим химическим и физическим свойствам он
не представляет большой опасности для экологии, поэтому такая
случайная эмиссия нанесла бы значительно меньший экологический
ущерб, чем аналогичный сброс сырой нефти или бензина. В
аварийной ситуации разлив большого количества метанола по
поверхности воды оказал бы прямое воздействие на экосистему в зоне
непосредственного контакта с пролитым спиртом. Тем не менее,
поскольку метанол полностью смешивается с водой, он быстро
оказался бы в разбавленном состоянии и рассеялся в окружающей
среде под действием волн, ветра или приливов, потеряв всякую
токсичность. Расчеты показали, что, если в открытое море попадет
10 тыс т метанола, то в течение первого часа после аварии его
концентрация в воде составит всего 0,36 %, а в течение следующих
часов она существенно снизится. При таком происшествии метанол,
разведенный в воде, в течение нескольких дней подвергся бы
биоразложению под действием микроорганизмов. Если бы подобная
авария произошла с нефтью, которая не смешивается с водой, то
гигантское нефтяное пятно покрыло бы водную поверхность и не
142
могло бы легко рассеяться в окружающей среде. Результатам могла
бы стать экологическая катастрофа. После разлива метанола не
остается отстоев и поэтому отпадает необходимость длительной и
скрупулезной очистки пляжей, берегов вдоль водоемов, отмывки птиц
и представителей животного мира, т.е. всех тех мероприятий, которые
необходимы после разлива сырой нефти. Утечки метанола менее
опасны, чем утечки бензина еще и потому, что бензин содержит много
токсичных и канцерогенных веществ (например, бензола), которые
разлагаются медленно и более длительное время сохраняются в
окружающей среде. Чтобы еще более снизить опасность утечек в
подземных хранилищах при хранении топлив любого вида следует
использовать баки-хранилища с двойными стенками и датчики утечки
топлива.
Таким образом, метанол экологически намного более безопасен
и менее токсичен, чем бензин или дизельное топливо.
8.5.2. Сравнительный анализ загрязнения воздуха выбросами от
транспортных средств, работающих на метаноле
и традиционных видах топлива
Загрязнение воздуха выбросами от транспортных средств
представляет собой основную экологическую проблему в больших
столичных регионах. Выбросы автомобилями, грузовиками и
автобусами СО, NO
, летучих органических соединений (ЛОС), SО2 и
x
твердых частиц могут оказать серьезное воздействие на здоровье
населения, особенно на здоровье детей, пожилых людей и лиц,
чувствительных к изменениям окружающей среды. Выше отмечалось,
что использование в ДВС метанола, отличающегося чистотой горения,
могло бы стать быстродействующим средством снижения выбросов.
Формальдегид является токсическим компонентом воздуха и
предшественником озона; в низких концентрациях он присутствует в
природной атмосфере и его относят к ЛОС. Формальдегид в
небольших количествах образуется при неполном сгорании не только
бензина и дизельного топлива, но также и метанола, и он считается
потенциально канцерогенным веществом. Проблема образования
формальдегида в ДВС, работающих на метаноле, успешно решается
использованием очень эффективной каталитической насадки, которая
путем каталитического окисления способна удалить достаточно
143
реакционноспособный формальдегид. Хотя метанол по своей природе
и является более чистым топливом, нужно иметь в виду, что
уменьшение уровня выбросов достигнуто и на обычных транспортных
средствах с ДВС, работающих на бензине и дизельном топливе.
Благодаря техническим новшествам прогресс в этой области можно
ожидать и в будущем, и таким образом традиционные топлива
составят ощутимую конкуренцию альтернативным топливам. Однако
в автомобилях с ДВС для снижения уровня выбросов приходится
прибегать к использованию довольно сложных систем. Поэтому, если
транспортные средства с большим сроком службы эксплуатируются
небрежно и не проходят регулярный осмотр, то уровень выбросов
может резко возрасти.
В долгосрочной перспективе использование метанола для
заправки транспортных средств, работающих на топливных элементах
(ТСТЭ), по-видимому, способно решить почти все имеющиеся
проблемы загрязнения воздуха транспортными средствами. Кроме
того, в отличие от транспортных средств с ДВС, по мере увеличения
срока эксплуатации автомобилей на метаноле уровень выбросов
останется почти неизменным. Предполагается, что уровень эмиссии от
ТСТЭ, оборудованных бортовыми конвертерами с метанолом,
окажется намного ниже даже тех строгих норм, которые установлены
в США (шт. Калифорния) для транспортных средств с очень низкими
выбросами (рис. 8.4).
Испытания, проведенные с автобусом, работающим на
метанольных топливных элементах и разработанным в
Джорджтаунском университете, показали, что этот автобус
практически является транспортным средством с нулевым уровнем
выбросов, поскольку выделяет лишь незначительные количества СО и
углеводородов и не выбрасывает ни NO
, ни твердых частиц. Поэтому
х
можно ожидать, что ТСТЭ, непосредственно заправляемые
метанолом, фактически станут транспортными средствами с нулевым
уровнем выбросов.
144
Рис. 8.4. Выбросы загрязнителей, производимые автобусами,
работающими на метанольных топливных элементах
8.5.3. Метанол и проблемы изменения климата
В настоящее время сырьем для производства метанола почти
везде служит синтез-газ, который получают каталитической
конверсией природного газа или угля, т.е. из горючих ископаемых. В
отличие от природного газа запасы угля на земле велики. Однако из-за
дефицита водорода в угле при превращении его в метанол образуется
больше СО
, чем при использовании любых других видов
2
ископаемого топлива, в особенности природного газа. С точки зрения
экологической чистоты, эффективности и экономичности в наши дни
лучшим крупнотоннажным способом производства метанола является
превращение синтез-газа, получаемого из природного газа. В то же
время результаты проводимых сейчас научно-исследовательских
разработок показывают большую перспективность прямой
окислительной конверсии метана в метанол. Пока в нашем
распоряжении остаются большие запасы природного газа, можно с
уверенностью предполагать, что именно он будет служить сырьем для
получения метанола. Однако вполне возможно, что будут разработаны
технологические способы прямой конверсии угля в метанол, минуя
145
стадию производства синтез-газа. На нашей планете есть большие
ресурсы гидратов метана, скрытые на суше в обширных областях
субарктических тундр и на море в области континентального шельфа.
Все эти ресурсы когда-нибудь найдут свое применение, хотя они всего
лишь отодвинут время неизбежного истощения природных запасов
углеводородного сырья.
Если в традиционных транспортных средствах с ДВС
использовать метанол, полученный из природного газа, то выбросов
СО
будет не на много меньше, а может быть они останутся такими
2
же, как у автомобилей, заправленных бензином и дизельным
топливом. Реального снижения выбросов парниковых газов можно
добиться лишь, используя более эффективные ТСТЭ, работающие на
водороде, полученном путем конверсии метанола, или
непосредственно использующие метанол из прямых метанольных
топливных элементов.
Чтобы еще больше сократить выбросы СО
и обеспечить
2
стабильный альтернативный источник энергии на длительный срок,
метанол необходимо получать из сырья, не связанного с горючими
ископаемыми. Один из путей - это использование биомассы, но этот
путь может удовлетворить лишь незначительную часть наших
возрастающих энергетических потребностей. Метанол, однако, можно
также получать каталитическим гидрированием СО
или
2
электрохимическим восстановлением воды. Топочные газы,
выбрасываемые тепловыми электростанциями, работающими на угле
и на горючих ископаемых других видов, а также дымовые газы
цементных и сталеплавильных заводов содержат СО
в высоких
2
концентрациях. Становятся все более необходимым улавливание и
удаление СО
из этих выбросов. Если вместо того, чтобы избавляться
2
от углекислого газа, мы овладеем способами химического
превращения СО
в метанол, то это, с одной стороны, обеспечит нас
2
топливом и источником получения синтетических углеводородов, а с
другой - смягчит последствия изменения климата, вызванные
деятельностью человека. Когда-нибудь будут найдены методы
переработки СО
, содержащегося даже в атмосфере. Человечество не
2
будет больше зависеть от ископаемого топлива, потому что тогда
энергию, необходимую для производства водорода и конверсии СО
в
2
метанол, можно было бы получать из источников, не связанных с
горючими ископаемыми, например из возобновляемых источников
энергии и атомной энергии.
146
Вопросы для самоконтроля:
1. История применения метанола в качестве топлива.
2. Метанол как топливо в двигателях внутреннего сгорания.
3. Метанол и диметиловый эфир в качестве заменителей
дизельных топлив в двигателях внутреннего сгорания.
4. Биодизельное топливо.
5. Новые транспортные средства, работающие на метаноле.
6. Вопросы безопасности при использовании метанола.
7. Метанол и окружающая среда.
8. Сравнительный анализ загрязнения воздуха выбросами от
транспортных средств, работающих на метаноле и традиционных
видах топлива.
9. Метанол и проблемы изменения климата.
147
Глава 9. ПЕРСПЕКТИВНЫЕ РЕСУРСЫ ДЛЯ РАЗВИТИЯ
, что к концу XXI в.
ЭКОНОМИКИ
9.1. Основные направления развития экономики на современном
этапе
Любые виды горючих ископаемых представляют собой смеси
углеводородов, в которых углерод и водород находятся в различных
соотношениях. При их сгорании углерод превращается в СО
, а
2
водород – в воду. Это означает, что при сжигании углеводородное
сырье расходуется безвозвратно. Считается, что увеличение
содержания СО
в атмосфере, которое является результатом
2
деятельности человека и сгорания огромного количества ископаемого
топлива, стало основной причиной глобального потепления,
вызванного искусственными причинами.
Уже много было сказано о том, сколько осталось на Земле
запасов нефти и газа. Запасов угля может хватить еще на 2 или 3 века.
Однако за исключением угольных разрезов, где разработка ведется
карьерным способом, промышленная добыча угля трудна, опасна и
сопряжена с экологическими проблемами. Кроме того, запасов нефти
и газа, уже готовых к эксплуатации, скорее всего, хватит не более чем
на одно столетие, и это с учетом того, что будут открыты новые
месторождения, усовершенствованы технологии добычи и будут
использованы нетрадиционные источники.
Помимо доступных ресурсов нефти, природного газа и угля
имеются и дополнительные нетрадиционные источники
углеводородного сырья, такие как залежи тяжелой нефти, нефтяные
сланцы, обширные залежи битуминозного песка, гидраты метана и др.
В будущем эти резервы начнут разрабатываться, хотя на пути
освоения этих богатств стоят огромные трудности и ожидаются
гигантские затраты.
Помимо объема запасов необходимо учитывать, что население
нашей планеты непрерывно увеличивается и в настоящее время оно
превышает 7 млрд человек. Вполне вероятно
население Земли составит около 10 млрд. Можно уже сейчас
прогнозировать к каким последствиям приведет рост потребления
наших сырьевых ресурсов, связанный с улучшением уровня жизни в
мире, а также с повышенным спросом на сырье в
быстроразвивающихся странах, таких как Китай и Индия. При анализе
148
потенциальных запасов нефти, которые оцениваются в 1-2 трлн
баррелей (около 135-270 млрд т), нужно принимать во внимание
демографические факторы. По самым оптимистичным прогнозам,
если современные темпы потребления нефти сохранятся, то
доступные запасы нефти иссякнут уже через 70 лет. Запасов
природного газа больше, но и их хватит всего на 80-100 лет. Благодаря
открытиям новых месторождений и усовершенствованию методов
добычи эти цифры могут увеличиться, хотя темпы роста потребления
нефти будут способствовать более быстрому истощению природных
ресурсов. Но как бы ни развивались события, человечество должно
трезво оценить будущее и приступить к поиску новых ресурсов и
решений всех этих проблем.
Чтобы удовлетворять постоянно увеличивающиеся потребности
человечества в энергии, в будущем необходимо использовать любые
подходящие альтернативные источники энергии. Энергия воды и
геотермальная энергия уже и сейчас используются там, где природа
позволяет это сделать, но в развитых странах в будущем не удастся
отыскать новые подходящие места для строительства таких крупных
станций. Большим потенциалом обладают энергия Солнца, ветра,
волн и морских приливов; использование всех этих источников
набирает силу, хотя оно не сможет заменить значительную часть
энергии, получаемую сейчас из ископаемого топлива, и вряд ли
окажет существенное влияние на энергобаланс в обозримом будущем.
Одним из высших технологических достижений XX в. можно
считать покорение человеком энергии атома. Но вначале люди
достигли успеха в создании атомной бомбы, поэтому в общественном
мнении в послевоенные годы преобладало отрицательное отношение к
использованию этого источника энергии, даже если речь шла о
мирном атоме. За последние десятилетия построено очень мало новых
атомных электростанций (АЭС), а в США вообще ни одной. В ряде
стран раздаются призывы закрыть все АЭС, хотя в других странах,
например, во Франции, за счет энергии атома покрывается около 80 %
электроэнергетических потребностей. Усилия направить
использование атомной энергии только в мирное русло увенчались
определенными успехами; успешными оказались мероприятия по
улучшению безопасности атомной энергетики, в том числе по
хранению и удалению радиоактивных отходов. Нежелание развивать
атомную энергетику в большинстве промышленно развитых стран
надо признать недальновидным подходом, о котором можно лишь
149
сожалеть. Атомную энергетику можно любить или не любить, но в
обозримом будущем она станет самым реальным источником
масштабного производства энергии, доступным для человечества.
Конечно, применение мирного атома должно стать еще более
безопасным и более эффективным, а для этого надо решать проблемы
повторного использования и хранения радиоактивных отходов, а
также разрабатывать новые улучшенные конструкции реакторов и
развивать использование термоядерной энергии. Сохранение и
утилизация дополнительных источников энергии - важные задачи, но
их решение вряд ли способно обеспечить огромные энергетические
потребности человечества. Необходимо отметить, что в последнее
время появились обнадеживающие признаки, указывающие на то, что
негативное отношение к атомной энергии постепенно меняется в
положительную сторону.
Несмотря на то что горючие ископаемые по своей природе
являются невозобновляемым сырьем, запасы которого постепенно
иссякают, эти виды топлива, а в особенности нефть и газ, сохранят
свои ведущие позиции до тех пор, пока их можно будет легко
добывать. Для транспортировки и распределения ископаемого
топлива существует огромная инфраструктура. Наши автомобили,
грузовики и самолеты заправляются транспортным топливом
различных видов, которые поставляются в форме обычных продуктов,
удобных для практического использования (бензин, дизельное
топливо или сжатый природный газ). Природный газ и соляровое
масло имеют большое значение, так как ими обогревают наши дома и
служебные помещения и обеспечивают энергией промышленность.
Нефть и газ служат также сырьем для получения химических
продуктов и материалов, необходимых в повседневной жизни. Однако
основная масса горючих ископаемых все еще используется на
электростанциях для производства электроэнергии. Но из какого бы
источника не получали электроэнергию, ее хранение в крупном
масштабе пока еще остается нерешенной проблемой. Аккумуляторные
батареи, например, пока еще малоэффективны и громоздки.
Необходимо поэтому искать не только новые источники энергии, но и
эффективные пути хранения и распределения энергии. Нам также
нужно находить новые и эффективные методы получения
синтетических углеводородов и различных продуктов их переработки
из источников, не связанных с горючими ископаемыми. Отдавая себе
отчет в том, что рано или поздно нам придется с громадными
150
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]