Е. Л. КЛАРК

Управление энергетических исследований и разработок.

Вашингтон, округ Колумбия, США.

В лабораториях и на полупромышленных установках отрабатываются процессы производства жидкого топлива из угля с возможно большим выходом при минимальных затратах; Образцы получаемых продуктов поступают для оценки эффективности процессов получения из угля синтетической нефти, а из нее — топлива, удовлетворяющего техническим требованиям. Количество добываемого жидкого топлива из угля в течение ближайших лет будет незначительным по сравнению с топливом, получаемым из нефти. Однако на основании проводимых в настоящее время исследований будут разработаны процессы, которые позволят получать опытные образцы топлива в значительных количествах.

Исследуемые процессы газификации угля преследуют цель снижения стоимости получения и синтетического газа из угля. Это также будет стимулировать производство автомобильного топлива с помощью процессов переработки угля, применяемых в настоящее время в Южной Африке. Разрабатываются более эффективные катализаторы для проведения таких процессов.

Прежде чем автомобильное топливо, получаемое из угля, станет реальностью, потребуется решение многих технических и транспортных проблем и прежде всего большое увеличение добычи угля. В настоящее время исследуется влияние увеличения добычи угля на экономику страны. Темпы развития производства жидкого топлива из угля и сооружения новых установок для этого зависят от действия правительства. Качество бензина, получаемого из угля, будет несколько отличаться от качества бензина, получаемого из нефти. В бензине из угля содержится больше азотистых соединений и ароматических углеводородов. Соответственно возникнут дополнительные проблемы, связанные с охраной окружающей среды от загрязнения.

Для решения этих проблем потребуется непрерывная совместная работа Управления энергетических исследований и разработок с автомобильной промышленностью.

Введение.
История производства жидкого и газообразного топлива из угля включает и производство топлива для двигателей внутреннего сгорания. Почти пятьдесят лет тому назад была сооружена первая промышленная установка по гидрогенизации угля в Германии. Этот завод продолжал работать до конца второй мировой войны, в течение которой на нем производилось более 2385 м³/сут авиационного и автомобильного бензина. Кеннет Гордон в своей статье, представленной в 1946 г. Институту инженеровмехаников в Лондоне, описал процесс производства бензина из дурхемского угля, применявшийся в Биллингхеме. Гордон также подвел итоги производства высокооктанового бензина в Германии в годы второй мировой войны, максимальное производство которого достигло 15 900 м³/сут. Программа по ископаемым источникам энергии Управления энергетических исследований й разработок учитывала эти исторические факты. Она также учитывала важное значение транспортного топлива для США, на долю которого приходится примерно 50% потребляемой нефти. На программу оказывали влияние многие факторы, которые были учтены. Для обеспечения экономики США требуются огромные количества различных видов энергии: природный или синтетический газ для обогрева помещений, производства электроэнергии и технологических процессов промышленности; жидкое топливо для транспорта, производства электроэнергии, обогрева помещений и в качестве химического сырья; твердое топливо ,как источник энергии, используемой в промышленности. В данной статье излагается часть проблем, рассмотренных в программе, имеющих непосредственное отношение к производству автомобильного бензина.

«Сжижение» угля. Основной целью исследований в области «сжижения» угля является разработка такой технологии, которая была бы экономически оправданной, удовлетворяла требованиям охраны окружающей среды от загрязнения и давала возможность получать из угля удовлетворительное жидкое топливо для электростанций, транспорта и обогрева производственных и жилых помещений. Данные табл. 1 дают представление о процессах в этой области.

Из пяти перечисленных процессов наиболее подходящими для производства первичного жидкого топлива из угля являются следующие три:

а) производство жидкого топлива экстракцией угля растворителями;

б) гидрогенизация угля;

в) получение синтетической нефти.

Так называемое первичное жидкое топливо достаточно экономично, и процессы ориентированы для его получения. «Сжижение» угля можно производить в атмосфере водорода, что позволяет увеличить атомарное отношение Н/С в получаемом продукте и удалить нежелательные гетероатомы, присутствующие в исходном угле. Стоимость и эффективность производства жидкого топлива из угля в большой степени зависят от количества вводимого в процесс водорода.

В трех упомянутых процессах с целью повышения тепловой эффективности и снижения расходов добавление водорода сведено к минимуму. Первичное топливо, получаемое в таких условиях, может быть использовано для котельных электростанций. Дальнейшее исследование этих трех процессов направлено на выяснение потенциальных возможностей получения из угля различных топлив.

Растворение угля (SRC) в атмосфере водорода происходит при помощи регенерирующегося экстрагента. Процесс протекает в реакторе под давлением водорода 10,5—17,5 МПа. В настоящее время он используется для получения котельного топлива, но с изменением технологии и увеличением расходования водорода возможно конвертирование угля в перегоняющиеся масла.

Процессы Syhthoil и НCoal предназначены для получения высокомолекулярных жидких продуктов из угля. В обоих этих процессах используется твердый катализатор. Проводятся они в реакторе под высоким давлением. Процесс Synthoil протекает в сильно турбулизированном потоке угольной пульпы в рециркулирующем масле с водородом над стационарным катализатором. Для НCoal используется суспендированный катализатор во взвешенном слое углемасляной суспензии с водородом (флюидпроцесс).В обоих процессах можно добиться увеличения выхода низкомолекулярных соединений, близких к нефтепродуктам путем снижения производительности реактора, увеличения рабочего давления или сохранения высокой активности катализатора, осуществляя более частое его обновление.

Процесс переработки угля в растворителе отработан значительно лучше, чем другие процессы «сжижения» угля. В этом процессе используется меньшее количество водорода (менее 534 м³/м³ синтетической нефти), и в настоящее время с его помощью получают беззольный продукт, который застывает при температуре ниже 204,4°С. Содержание серы в нем меньше 0,9% по массе, а теплота сгорания его равна 8890 ккал/кг. Применение такого топлива в котельных, работающих на твердом горючем с точки зрения охраны окружающей среды от загрязнения вполне допустимо. Получаемые топлива исследуются и испытываются. В начале 1976 г. планировалось проведение испытаний в полноразмерной котельной установке. ,Во время предварительных испытаний оценивалось сгорание топлива в виде жидкого расплава в котельных установках и в газовых турбинах. Недавно Управление энергетических исследований и разработок выдало заказ нефтяной компании «Юниверсал ойл продактс» на оценку возможности применения современной технологии переработки нефти для продуктов, получаемых из угля, с целью производства стандартного топлива. Согласно этому контракту, испытывается. первичный продукт, получаемый из угля процессов SRC. Предусматривается проведение испытаний и в других лабораториях нефтеперерабатывающих заводов жидких продуктов, получаемых указанными выше процессами «сжижения» угля.

Результаты этих испытаний могут помочь в решении важных технологических проблем, связанных с переработкой первичных продуктов переработки угля. До какой степени следует перерабатывать уголь, чтобы можно было получить продукт, который был бы пригоден для дальнейшей переработки на нефтеперерабатывающих заводах и получения требующейся гаммы жидких продуктов? «Сжижение» угля как процесс не идеален с точки зрения использования селективных катализаторов для получения стандартного жидкого топлива. Возможно, что путем дальнейшей переработки, используя более тонкие методы очистки, можно добиться более эффективного превращения первичных продуктов переработки угля, что позволит получить экономические преимущества и повысит эффективность процессов. Таким образом, информация, которая будет получена с нефтеперерабатывающих заводов, и работы по повышению качества первичных продуктов переработки угля будут использованы как обратная связь для совершенствования процессов переработки угля с целью их оптимизации и получения стандартного топлива.

Мы не думаем, что в результате этих работ будет найдена какая-либо одна технологическая схема или один технологический процесс переработки угля, который окажется самым идеальным для получения жидкого топлива. Опыт нефтяной промышленности свидетельствует о том, что в связи с разнообразием сырья, стоимости добычи и транспорта, региональными потребностями в различных нефтепродуктах, сезонными требованиями и местными ценами на конкурирующие топлива приходилось создавать различные проекты нефтеперерабатывающих заводов. Проектировщики нефтеперерабытывающих заводов располагают большим количеством различных конкурирующих технологических вариантов переработки нефти, и тем не менее через 50 лет технического совершенствования методов, идеального процесса переработки нефти не появилось.

Уголь и другие виды ископаемого топливного сырья связаны с еще большим количеством факторов, чем нефтяное сырье и некоторые продукты, получаемые из них, весьма чувствительны к конкуренции со стороны легко транспортируемого жидкого топлива. Таким образом, программа использования ископаемого топлива должна оценить многие процессы, специфически подходящие для разнообразного сырья и для удовлетворения различных рынков.

Конечное промышленное внедрение процесса производства синтетического топлива в сильной степени зависит от его эффективности и стоимости. Даже в результате небольшого увеличения эффективности достигается огромная экономия, так как на заводах перерабатывается большое количество материала. В связи с этим необходимо, чтобы программа была нацелена на выработку оптимальных схем процесса. В энергической программе по ископаемым источникам энергии Управления энергетических исследований и разработок предусматривается непрерывная оценка возможных процессов с целью их сравнения. Эти исследования будут служить для выбора основного направления программы, а также информацией для разработки реальных планов по осуществлению проектов демонстрационных заводов.

Один из проектов демонстрационных установок находится в стадии выполнения. В июле 1974 г. было выдано задание на сооружение демонстрационной котельной установки, не загрязняющей окружающего атмосферного воздуха. 17 января 1975 г. Управление по исследованию угля заключило контракт с компанией «Коалкон» на поэтапное проектирование, сооружение и эксплуатацию демонстрационной установки с производительностью 2600 т/сут, работающей по процессу гидрокарбонизации и вырабатывающей 620 м³/сут газа, пригодного для подачи в газопроводную сеть. Создание этой установки является ближайшей целью угольной программы для получения из угля заменителей нефтепродуктов и природного газа, используемых электростанциями и промышленными котельными.

Это первая демонстрационная установка, созданная по заданию Управления энергетических исследований и разработок. Она представляет собой прототип для промышленного внедрения. В то время как проектноконструкторские работы по созданию этой установки субсидируются правительством, в расходах на ее сооружение и эксплуатацию будет в равной доле принимать участие промышленный партнер. Сооружение установки ведется по ускоренному графику.

На демонстрационной установке будет получаться жидкое топливо для использования на электростанциях или в промышленных котельных, однако качество этого жидкого топлива может быть в последующем улучшено методами, которые в настоящее время проходят испытания. В результате выполнения испытательных программ мы надеемся получить обширную информацию о технологических этапах, которые требуются для производства автомобильного топлива из первичных жидких продуктов, получаемого переработкой угля. Несколько месяцев тому назад с представителями «Дженерал моторе корпорейшн» мы обсуждали вопрос о методах получения и количестве топлива из угля, которые потребуются для определения возможности его применения в качестве автомобильного. Когда будет получено достаточное количество образцов первичного топлива, мы надеемся с помощью имеющихся у нас сведений о процессах дальнейшей переработки подготовить необходимое для реальных испытаний количество автомобильного топлива. На рис. 1 показано количество первичного топлива из угля, которое предполагается произвести на современных лабораторных и будущих полупромышленных установках. Имеющихся в настоящее время ресурсов первичного топлива из угля едва ли хватит для проведения испытаний на нефтеперерабатывающих заводах. В будущем нам потребуется большое количество этих продуктов для проведения крупномасштабных испытаний как технологических процессов, так и самого топлива.

На рис. 1 мы исходим из того, что в 1977 г. установка по производству синтетической нефти введена в строй и вырабатывает 4,8 м³/сут продукта. В 1978 г. предусмотренный программой график выполняется. Вошла в строй крупная полупромышленная установка по гидрогенизации угля, на которой получают от 111 до 286 м³/сут синтетической тяжелой нефти. Если можно будет добиться соответствующего ускорения осуществления нашей программы по сооружению демонстрационной установки, то это будет способствовать увеличению ресурсов синтетической нефти, полученной из угля. Так же, как и для продуктов, полученных на установке процесса SRC, будут проведены испытания на сжигание топлива и получены материалы для транспортного топлива. К тому времени будут разработаны подходящие процессы переработки и оборудование для получения качественного транспортного топлива из угля. Мы будем ждать результатов испытаний и оценки автомобильной промышленностью этого топлива.

Высококалорийный газ. Основная цель программы — это разработка улучшенной технологии производства из угля высококалорийного газа, который можно было бы направить непосредственно в сеть газоснабжения. Усовершенствования технологии, во-первых, должны обеспечить высокоэффективное использование угля и, вовторых, снизить стоимость производства газа примерно на 20% по сравнению с газом, получаемым по существующей технологии. Основные действующие в этой области проекты представлены в табл 2.

Несмотря на то, что основной упор в этой части нашей программы делается на производство синтетического газа, близкого к природному, ключевой проблемой остается производство жидкого топлива. При производстве газа для сети газоснабжения на первом этапе осуществляется реакция между углем, кислородом и водяным паром с целью получения смеси водорода и окиси углерода, называемой «Synthesis Gas». Эта газовая смесь представляет собой сырье для получения большого ассортимента продуктов. Путем взаимодействия угля с водяным паром над катализатором получается водород, требующийся для «сжижения» газа. Полученный таким образом водород может использоваться для производства аммиака. Из синтетического газа и азота получают метанол, который может оказаться компонентом автомобильного топлива. Синтетический газ может быть превращен непосредственно в жидкое топливо модифицированным процессом Фишера—Тропша, осуществленным в Южной Африке компанией «Сасол»

Таким образом, программа производства высококалорийного газа Управления энергетических исследований и разработок в состоянии обеспечить сырьем производство жидкого топлива.

Мы предполагаем, что разработка экономичных процессов газификации угля при наличии более дешевого водорода позволит повысить эффективность процессов, рассмотренных выше, для получения жидкого топлива. В нашем распоряжении имеется также очень интересный вариант процесса синтезирования жидкого топлива непосредственно из основных подготовленных компонентов. В Южной Африке этим способом получают широкий ассортимент нефтепродуктов — от парафинового воска до автомобильного бензина. Принимаются меры для повышения качества бензина, получаемого этим способом, путем подбора более эффективных катализаторов. Успех в работе зависит от того, насколько удастся снизить стоимость производства синтетического газа из угля.

Можно привести некоторые сведения из области производства автомобильного топлива на основе синтетического газа.

Как было сказано выше, синтетический газ может быть превращен в метанол. При недорогом синтетическом газе, получаемом из угля, можно будет получать недорогой метанол. Корпорация «Мобил рисёрч энд дивелопмент корпорейшн» в соответствии с контрактом, заключенным с Управлением энергетических исследований и разработок, в лабораторных условиях успешно производит из метанола автомобильный бензин. Бензин отличается высоким содержанием ароматических углеводородов и октановым числом 90—92 по исследовательскому методу. Предварительные испытания на автомобиле свидетельствуют о его высоком качестве. Сейчас ведется проектирование полупромышленной установки. Экономичность промышленного производства будет зависеть от стоимости метанола и успешного сочетания процессов газификации угля, получения метанола и превращения метанола в автомобильное топливо.

Достижение успеха в производстве значительного количества автомобильного топлива из угля требует решения различных технических и снабженческих вопросов.

К ним относятся:

1983 Создание необходимых мощностей для увеличения добычи угля.

1984 Экономичность процессов «сжижения» угля и переработки первичного жидкого продукта, получаемого из него.

1985 Помощь правительства для избежание экономического риска, связанного с конкуренцией с нефтью.

Добыча угля. Для производства более или менее значительного количества жидкого топлива из угля потребуется увеличение размеров добычи угля. Это увеличение будет происходить наряду с ростом потребностей угля для выработки электроэнергии и производства стали. При планировании производства жидкого и газообразного топлива из угля учитываются проблемы, связанные с увеличением добычи угля. Согласно ряду исследований по этому вопросу, добыча угля в США к 1985 г. должна достигнуть 2 млрд. т в год. Для этого потребуется увеличить добычу угля втрое по сравнению с добычей в 1974 г., когда она составляла примерно 600 млн. т.

Недостатком этих исследований так же, как и всех исследований, рассматривающих проблему в целом, является то, что они учитывают макрофакторы и часто не учитывают микрофакторы, которые могут иметь большое значение. Тем не менее на основании этих исследований можно сделать ряд интересных выводов. Мы располагаем крупными запасами угля, достаточными для обеспечения добычи свыше 2 млрд. т в год. Потребуются значительные кадры рабочих для увеличения объема открытой добычи угля, которая предположительно в 1985 г. составит около 56% всей добычи, Возможен недостаток рабочей силы (до 20%) для подземной добычи угля, которая потребуется для достижения максимального уровня добычи 1985 г. Возникнет необходимость в значительных ресурсах воды. Были учтены потребности в транспорте, в капиталовложениях, в оборудовании. Если будут приняты необходимые меры стимулирования, то все эти проблемы будут решены.

Вместе с тем следует иметь в виду, что, хотя обеспеченность водой не является проблемой, когда речь идет о регионе в целом, но при оценке ее ресурсов на конкретных участках запасы воды не всегда достаточны. Для увеличения объема перевозок будут необходимы дополнительные капиталовложения в железнодорожный подвижной состав. Расширение производства угледобывающего оборудования потребует более тщательного исследования, чем это принято при общем подходе. Исследования должны быть направлены» на изучение вопросов, непосредственно касающихся расширения добычи угля, а не смежных проблем, таких, как потребности в электрооборудовании.

Совершенно очевидно, что как добыча угля, так и его переработка в жидкое или газообразное топливо будут зависеть от действия соответствующих государственных учреждений. Конгресс рассмотрел несколько законопроектов, касающихся этого вопроса. Правительство обнаружило потенциальные возможности разработки нескольких программ, которые могли бы оказать помощь промышленности. В настоящее время никто не может предсказать, какая из этих программ будет одобрена. Можно только предполагать, что в течение ближайших лет такой план будет утвержден. Программа Управления энергетических исследований и разработок преследует цель поиска различных путей для ускорения принятия решения.

План «сжижения» угля в соответствии с нашей программой приводится на рис. 2. На этом рисунке слева схематично показаны различные типы исследуемых процессов. Ё центре приводятся основные этапы, являющиеся общими для всех процессов «сжижения» угля. К ним относятся отделение тяжелых первичных жидких продуктов от твердого остатка, газификация остатка и тяжелых жидких продуктов с целью получения водорода, требующегося для процесса «сжижения» угля. Справа на рисунке приводятся исследования, проводимое в области разработки процессов переработки продуктов «сжижения» угля в пригодное для использования стандартное топливо. Когда будет произведено достаточное количество топлива, то для испытания будут подготовлены образцы, удовлетворяющие нормативам. В процессе внедрения этих топлив мы надеемся на кооперацию с автомобильной промышленностью.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Не представляется возможным определить, в какой мере будет выполнена программа Управления энергетических исследований и разработок по углю. Однако совершенно уверенно можно сказать, что в ближайшие несколько лет количество жидкого топлива, получаемого из угля, будет значительно меньше, чем количество топлива, получаемого из нефти. Следует считать, что наиболее вероятным способом повышения качества топлива, получаемого из угля, будет переработка жидких фракций на обычных нефтеперерабатывающих заводах совместно с нефтяным сырьем. Именно на этом делается упор в наших исследованиях, а также Управлением энергетических исследований и разработок совместно с нефтеперерабатывающими компаниями и другими квалифицированными специалистами в области оценки возможности переработки на существующих нефтеперерабатывающих заводах комбинированного сырья. Кроме того, будет получено реальное автомобильное топливо, которое удовлетворит техническим требованиям автомобильной промышленности.

Так же как и прежде, Управление энергетических исследований и разработок надеется на обмен информацией с инженерами, которые определяют конструкцию двигателей и топливо для них. Мы надеемся, что такая кооперация будет полезной.

ОБСУЖДЕНИЕ

X. Ф. Мэсон (компания «Шеврон рисёрч К»). Что Вы подразумеваете под «модифицированным» процессом Фишера—Тропша?

Кларк. Проводится большая работа по усовершенствованию катализаторов, применяемых в процессе Фишера—Тропша. Эти работы в основном запатентованы. В новом варианте процесса достигнуто еще одно преимущество по сравнению со старым процессом Фишера—Тропша Основное стремление как в процессе Фишера—Тропша, так и в процессе гидрогенизации угля заключалось в снижении выхода метана и этана. Это объяснялось тем, что в Европе метан и этан не находят спроса, если не считать их использования в качестве топлива. В США вследствие доступности очень дешевого природного газа потребление метана и этана держалось на низком уровне. В настоящее время это положение изменилось. По нашим прогнозам, новая установка Фишера—Тропша будет совершенно иной, а средний молекулярный вес получаемого продукта — меньше. Раньше этого нельзя было делать, потому что получалось очень много метана. Теперь, когда стоимость природного газа приближается к 16 долл за 1 млн. ккал, получение метана становится положительным фактором.

В настоящее время появилась возможность использовать процесс Фишера—Тропша для удовлетворения потребностей США и в природном газе. Такой природный газ будет обходиться дороже, но в то же время гибридная установка, на которой можно будет одновременно получать как природный газ, так и жидкое топливо, будет иметь большое преимущество для экономики нашей страны.

Вот что я понимаю под термином «модифицированный» процесс Фишера—Тропша.

С.С. Пеннер. (Калифорнийский университет, СанДиего). Сколько будет стоить, согласно Вашей оценке, в оптимальном варианте получение одного кубометра жидкого топлива, производимого из угля?

Кларк. Я думаю, что один кубометр будет стоить что-нибудь между 94,35 и 157,24 долл. Однако необходимо иметь в виду, что инфляция может вызвать крупные изменения в величине капиталовложений для сооружения установки и соответственно резкие изменения в стоимости получаемого бензина. На основании изучения экономической структуры завода по производству синтетического топлива было показано, что капиталовложения составляют примерно 65—80% от стоимости продукта. Стоимость угля составляет 15—16% На долю рабочей силы, катализатора и химических реагентов вместе приходится 5— 8% Снижение стоимости капиталовложений на 20% позволило бы намного увеличить эффективность процесса Фишера—Тропша, а также процесса производства синтетического природного газа.

Дж. В. Ходгсон (Университет, штат Теннесси). Многих волнует вопрос относительно возможной канцерогенной природы жидкого топлива, получаемого из угля. Можете ли Вы что-нибудь сказать об этом?

Кларк. Этот вопрос имеет очень большую историю. История началась с того времени, когда компания «Эксон» установила канцерогенную природу остатка процесса каталитического крекинга. Компанией была выполнена замечательная работа. Подобная работа была проделана «Юнион карбид», когда они начали эксплуатировать свою установку по гидрогенизации угля в Южном Чарлстоне. Я думаю, что разумные меры предосторожности должны быть приняты. Такие предосторожности принимаются и в настоящее время при переработке тяжелых нефтяных фракций. К счастью, очень небольшое число летучих материалов, образующихся в процессе «сжижения» угля, относится к разряду канцерогенных. Канцерогенные вещества содержатся в основном в нелетучей части. Таким образом, придется иметь дело с проблемами контакта и аэрозольной проблемой. В общем много еще проблем, которые надо решить. Мы продолжаем исследования в направлении обеспечения того, чтобы в каждом процессе не образовывались материалы, которые могут быть сильно канцерогенными. Мне кажется, что в области переработки приняты достаточные меры контроля для решения этой проблемы. Может возникнуть проблема, связанная с увеличением канцерогенных веществ в отработавших газах автомобилей, использующих топлива с большим содержанием ароматических углеводородов, но я не в курсе этого вопроса.

ПЕРСПЕКТИВНЫЕ АВТОМОБИЛЬНЫЕ ТОПЛИВА
Перевод: А.П. Чочиа
Под редакцией: профессора Я.Б. Черткова
Москва, 1982