Ожижение угля: методы и установки¶
Ожижение угля — технологический процесс перевода твёрдого топлива (каменного и бурого угля) в жидкое агрегатное состояние с получением синтетического жидкого топлива (СЖТ), пригодного для использования в качестве моторного топлива, котельного горючего или химического сырья. Ожижение основано на изменении молекулярной структуры угля — увеличении соотношения водорода к углероду (H/C) и разрушении высокомолекулярной органической массы угля. Процесс относится к направлению глубокой переработки угля и рассматривается как альтернатива нефтепереработке в условиях дефицита нефти.
¶История развития
Первые промышленные попытки ожижения угля предприняты в Германии в 1910-х годах. В 1913 году немецкий химик Фридрих Бергиус разработал метод гидрогенизации угля под высоким давлением водорода, за что в 1931 году получил Нобелевскую премию по химии. В 1920-х годах Франц Фишер и Ганс Тропш создали процесс синтеза жидких углеводородов из синтез-газа (смеси CO и H₂), получаемого газификацией угля. В годы Второй мировой войны Германия производила до 4–5 млн тонн синтетического топлива в год, что покрывало значительную часть потребностей люфтваффе и танковых войск.
После войны интерес к технологии снизился из-за открытия крупных нефтяных месторождений на Ближнем Востоке. Новый всплеск активности наблюдался в 1970-х годах в связи с нефтяным кризисом, а затем в 2000-х — в Китае, ЮАР и ряде других стран, стремящихся к энергетической независимости.
¶Классификация методов
Различают два принципиально разных подхода к ожижению угля: прямое и непрямое (косвенное).
¶Прямое ожижение
Прямое ожижение (гидрогенизация) заключается в обработке угля водородом при высокой температуре (400–470 °C) и давлении (10–30 МПа) в присутствии катализаторов и растворителя-донора водорода. Органическая масса угля деполимеризуется, насыщается водородом и переходит в жидкие продукты — бензиновые и дизельные фракции, а также газ. Выход жидких продуктов достигает 50–70 % от массы сухого угля. К этому классу относятся процессы Бергиуса, а также современные разработки: HTI (США), NEDOL (Япония), Shenhua (Китай).
¶Непрямое ожижение
Непрямое ожижение — двухстадийный процесс. Сначала уголь газифицируется с получением синтез-газа (CO и H₂), затем из него по методу Фишера–Тропша синтезируются жидкие углеводороды. Данный метод менее чувствителен к качеству исходного угля и позволяет получать широкий спектр продуктов: от бензина до дизельного топлива и смазочных масел. Крупнейшим производителем по этой технологии является южноафриканская компания Sasol.
¶Технологические установки
Промышленные установки ожижения угля представляют собой сложные химико-технологические комплексы. Основные узлы: подготовка угля (дробление, сушка, измельчение), реакторный блок, системы разделения и очистки продуктов, блок производства водорода (для прямого ожижения) или газификации (для непрямого).
Реакторы прямого ожижения работают в режиме суспензии — угольная пыль смешивается с рециркулирующим растворителем и подаётся в реактор с водородом. Катализаторы — на основе железа, никеля, молибдена. Установки непрямого ожижения включают газогенераторы (чаще всего с кипящим или пылевидным слоем), блок конверсии синтез-газа и реакторы синтеза Фишера–Тропша (трубчатые или суспензионные).
¶Применение и значение
Синтетическое жидкое топливо из угля используется как моторное топливо для двигателей внутреннего сгорания, авиационное горючее (при соответствующей облагораживании), котельное топливо. Продукты ожижения также служат сырьём для нефтехимии — получения олефинов, ароматических углеводородов, смазочных масел.
Экономическая целесообразность ожижения угля зависит от цен на нефть и уголь, капитальных затрат (они в 3–5 раз выше, чем на НПЗ аналогичной мощности) и экологических требований. Процесс сопровождается значительными выбросами CO₂, что требует применения технологий улавливания и хранения углерода. В России исследования в области ожижения угля ведутся в институтах СО РАН, однако крупных промышленных производств СЖТ не создано; основным направлением остаётся газификация угля с получением химических продуктов.
¶Крупнейшие проекты
Действующие промышленные комплексы по ожижению угля расположены в ЮАР (Sasol, г. Секунда — непрямое ожижение, мощность около 7,5 млн т/год), Китае (заводы Shenhua Group в провинциях Внутренняя Монголия и Нинся — прямое и непрямое ожижение, суммарно более 4 млн т/год), Малайзии, Индонезии. В США и Австралии реализованы пилотные установки, но промышленного масштаба они не достигли.
¶Источники
- Химия и технология переработки угля / под ред. А. А. Кричко. — М.: Недра, 1985.
- Speight J. G. The Chemistry and Technology of Coal. — CRC Press, 2013.
- Материалы Международной конференции по глубокой переработке угля (ICCPC), 2018–2022.