Экономические науки / 9. Экономика промышленности

 

Д.э.н., академик Каренов Р. С.

Карагандинский государственный университет

 имени Е.А. Букетова, Казахстан

ЭКОНОМИЧЕСКИЕ ПРЕИМУЩЕСТВА РАСШИРЕНИЯ СЫРЬЕВОЙ БАЗЫ ПРОИЗВОДСТВА СИНТЕТИЧЕСКИХ ЖИДКИХ ТОПЛИВ ИЗ УГЛЕЙ

 

В последней 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 [1, С. 19].

Не зря проблема производства жидких продуктов из угля на протяжении десятилетий находится в центре внимания исследователей и промышленности [2 - 4], 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.

Кокс

 
 

Пиролиз, гидропиролиз, экстракция
 

Гидрогенизация
 

Н2О
 

О2
 

Газ
 

Уголь
 

Газ
 

О2
 
Подпись: Твердый остаток

Газификация
 

Разделение воздуха
 

Очистка, конверсия
 

Обогащение, сушка, измельчение
 

Разделение продуктов
 

Производство водорода
 

N2
 

Н2
 
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                 

 

 

 

 

 

 

 

 


 Рисунок 1 - Схема основных направлений получения жидких продуктов из угля

                                  (Примечание – предлагается автором на основе обобщения       литературных источников)

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. 1).

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. Поскольку перечисленные способы имеют не одинаковые возможности по решению стратегической задачи - максимальный переход органической части угля в жидкое топливо с целью организации           крупномасштабного производства, имеет смысл вкратце остановиться на каждом из них.

При пиролизе уголь подвергается сухой перегонке при высокой температуре без доступа воздуха. Если нагрев производится с большой скоростью, то образуются смолы, горючий газ, твердый остаток (полукокс), называемый коксином (примерно 30%). Термическая переработка угля методом полукоксования проводится в несколько стадий: измельчение угля в шахтной мельнице, подсушка и нагревание дымовыми газами до температуры 110-150°; нагрев угля газовым теплоносителем в реторте до температуры 300-400°С; скоростной пиролиз твердым теплоносителем при температуре 600-650°С в камере термического разложения; получение твердого и газообразного теплоносителей с температурой 800°С; охлаждение полукокса и конденсация жидких продуктов, полученных при термическом разложении.

Вырабатываемый при пиролизе полукокс - это компонент шихты при изготовлении брикетов для коммунально-бытовых нужд и облагороженное (пылевидное) топливо для электростанций. Основное количество газа, выделяемого 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 и др.).

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.

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. 1, 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 [6 - 8].

 

 

 

 

Таблица 1

 

Сопоставление различных методов получения синтетического жидкого топлива из угля

 

Процесс

Продукция

КПД, %

Гидрогенизация угля

Бензин, дизельное топливо, газ        56

Газификация и синтез метанола

Метанол                                              49

То же + переработка метанола в бензин («Мобил»)

Бензин, газ                                          45

Газификация и синтез («Фишер-Тропш»)

Бензин, дизельное топливо, газ        40

Переработка нефти

Моторное топливо, газ                      85

Примечание – данные работы [5, С. 35]

 

Так, И.П. Крапчиным [8, 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 1т 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 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.

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 [9, 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) 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. стерлингов [8, C.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 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 [10, 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.

 

 

Литература:

1.     Семенов Л.В. Уголь на рубеже третьего тысячелетья // Уголь.-1985.-№9.-С.19-23.

2.     Каренов Р.С. Эффективность использования угольных ресурсов в качестве химико-технологического сырья // Материалы Международной научно-практической конференции «Современные проблемы комплексного освоения недр и пути их решения» / Алматы, ДГП «ИГД им. Д.А.Кунаева», 26 января 2007г. – Алматы: Труды Института горного дела им. Д.А.Кунаева «Научно-техническое обеспечение горного производства» (Том 73), 2007, С.157-166.

3.     Еремин И.В., Жарова М.Н. Угли как сырье для производства облагороженных жидких и газообразных топлив // Химия твердого топлива.-1985.-№5.-С.3-9.

4.     Химические вещества из угля: Пер. с нем. / Под ред. Ю. Фальбе.- М.:Химия, 1980.-616с.

5.     Кричко А.А. Перспективы производства синтетического топлива из угля // Уголь.-1982.-№11.-С.35-36.

6.     Семенов Л.В., Таразанов И.Г. Уголь как технологическое сырье // Уголь.-1989.-№7.-С.13-16

7.     Хорькова Н.Н. Проблемы химической переработки углей. Гидрогенизация // Уголь.-1992.-№4.-С.40-42.

8.     Крапчин И.П. Экономика переработки углей.-М.: Недра, 1989.-214с.

9.     Калечиц И.В., Асланян Г.С. Синтетическое жидкое топливо из углей: виды на будущее // ЭКО.-1985.-№8.-С.124-130.

10. Чичкин А.А. Производство и использование нефтяного топлива из каменного угля в ЮАР // Уголь.-1988.-№12.-С.50-52.