Текст: Андрей Федоров

Главный аргумент в пользу замены нефти ископаемой синтетическим аналогом — истощение мировых запасов жидких углеводородов. Объемы известных нефтяных залежей достигают 3000 млрд баррелей — 400 млрд тонн. С учетом растущего энергопотребления, по оценкам экспертов, этого хватит еще на 30 лет. И даже если будут обнаружены новые месторождения, рассчитывать на их крупный масштаб не стоит.
Угля же на планете в избытке, по крайней мере, пока. Его геологические запасы, по оценкам специалистов, в тридцать раз больше, чем нефти. И уже сегодня 37% энергии в мире производится за счет угля, 16% за счет газа и только 9% за счет нефти.
Второй фактор, заставляющий внимательнее присмотреться к углю в качестве сырья для жидкого топлива, — рост цен на нефть и увеличение себестоимости ее добычи по мере вовлечения в разработку все более удаленных и труднодоступных месторождений.

P align=justify>Текст: Андрей Федоров

Главный аргумент в пользу замены нефти ископаемой синтетическим аналогом — истощение мировых запасов жидких углеводородов. Объемы известных нефтяных залежей достигают 3000 млрд баррелей — 400 млрд тонн. С учетом растущего энергопотребления, по оценкам экспертов, этого хватит еще на 30 лет. И даже если будут обнаружены новые месторождения, рассчитывать на их крупный масштаб не стоит.
Угля же на планете в избытке, по крайней мере, пока. Его геологические запасы, по оценкам специалистов, в тридцать раз больше, чем нефти. И уже сегодня 37% энергии в мире производится за счет угля, 16% за счет газа и только 9% за счет нефти.
Второй фактор, заставляющий внимательнее присмотреться к углю в качестве сырья для жидкого топлива, — рост цен на нефть и увеличение себестоимости ее добычи по мере вовлечения в разработку все более удаленных и труднодоступных месторождений.

Угольная трансформация
Идея делать из угля нефть далеко не нова. В начале ХХ века немецкий химик Эмиль Фишер начал разрабатывать технологию гидрогенизации — насыщения водородом.
В 1913 году его соотечественник химик Фридрих Бергиус создал свою методику гидрогенизации и запатентовал ее. Водород, соединяясь с кислородом, азотом и серой, дает воду, аммиак и сероводород. Сначала уголь измельчается до максимально мелких фрагментов, до состояния пыли: это называется деструкцией. Затем смешивается с мазутом и пятью процентами окиси железа. Пастообразная масса нагревается в присутствии водорода до 450-490 °С при давлении 200 атмосфер. Полученный продукт разделяется перегонкой на бензин, соляр и остаток (мазут), который добавляют в свежую порцию угля вместо мазута. Из трех частей угля получается одна часть бензина, 1,5 части соляра и остаток. Технология безотходна. Добавление катализаторов (молибдена, железа, олова, никеля, алюминия и других компонентов) усиливает процесс гидрогенизации, повышая его эффективность.
Методика использовалась в Германии во время Первой мировой войны. Удавалось получать 15-20% бензина от органической массы угля при общем количестве жидких продуктов в 50%. Процесс проходил в один этап и назывался «бергенизация».

Синтез-газ
В 1926 году немцы Франц Фишер и Ганс Тропш изобрели и запатентовали более простой способ получения синтетического жидкого топлива. «Добывать» нефть из угля было предложено с помощью катализатора, обычно содержащего железо и кобальт. Давление при этом применялось небольшое — 1,5-2,0 МПа, а температура — от 180 до 200 °С.
На первом этапе сквозь слой раскаленного угля продували перегретый водяной пар, получая так называемый «водяной газ» — смесь угарного газа (монооксид углерода) и свободного водорода. Он может применяться в качестве топлива самостоятельно или преобразовываться в жидкое горючее. Другое название продукта — синтез-газ — служит вторым наименование метода Фишера-Тропша.
Технология использовалась на заводах в Германии в 1930-х годах. Их общая производительность составляла более 5 млн тонн моторного горючего в год. Пик выпуска синтетического жидкого топлива (СЖТ) в стране пришелся на годы Второй Мировой войны.
И хотя стоило такое топливо в три-пять раз дороже, чем горючее, получаемое из природной нефти, это было оправдано. Ведь в стране к началу войны почти не оставалось собственной нефти.

Скоростной нагрев
Третий способ получения СЖТ из угля — термический — также предложили германские ученые в начале прошлого века. И применялся он для производства бензина во время Второй мировой войны.
Уголь без доступа воздуха при температуре 1200 °С разлагается на угарный газ и водород. Затем в присутствии катализатора из этих двух газов синтезируется бензин, солярка, мазут и другие вещества. 
В 1960-1970-е годы технология была усовершенствована. В советском Энергетическом институте им. Г. М. Кржижановского (ЭНИН, Москва) под руководством члена-корреспондента АН СССР Зиновия Чуханова был разработан метод высокоскоростного пиролиза углей (ВСП). Угольная пыль нагревается со скоростью 104 °С в секунду и выше — до 600–700 °С.
Такой режим пиролиза увеличивает выход жидких органических продуктов из угольной пыли вдвое по сравнению с обычным методом. И существенно улучшает их качество.

Отечественная практика
Было разработано два типа установок, на которых выполнены исследования углей Канско-Ачинского угольного бассейна: с применением комбинированного теплоносителя и с термоконтактным коксованием топлива в кипящем слое. Предложенные технологические схемы отработаны на опытно-промышленных установках на Калининской ТЭЦ, на Красноярском заводе «Сибэлектросталь» и на заводе в Екатеринбурге.
В 1987 году была создана энерготехнологическая установка по полукоксованию углей Канско-Ачинского бассейна ЭТХ-175 на Красноярской ТЭЦ-2, но ее так и не запустили.
Работа по созданию технологий термической переработки низкосортных углей и горючих сланцев путем их пиролиза в ЭНИНе ведется на протяжении многих лет.
«Основная концепция применения этих технологий исходит из того, что большинство низкосортных твердых топлив целесообразно перерабатывать, получая  из них жидкие продукты — высококалорийное моторное и котельное топливо, высококалорийный горючий газ, а в ряде случаев и дефицитные химические продукты, в том числе такие, которые из нефти получить либо не удается, либо в этом случае они более дороги», — говорится в одном из разделов сайта института.

Прерванный полет
Активная работа в направлении «превращения» угля в жидкое синтетическое топливо велась и в СССР. В 1937 году была синтезирована искусственная нефть из угля, решена задача получения высокооктановых бензинов. Советские ученые разработали прогрессивный способ так называемой жидкофазной гидрогенизации угля, где в качестве пастообразователя (донора водорода) используются сами продукты гидрогенизации.
В 1943-44 годах мировое производство моторных топлив из угля составило четыре миллиона тонн. США наладили промышленный выпуск синтетического бензина в 1947 году. Фирмы «Стандарт Ойл» и «Техас» выпускали по 1 300 тонн в сутки.
Технология деструктивной гидрогенизации совершенствовалась до конца 1940-х – начала 1950-х годов. Выход бензина был доведен до 60% при практически полном превращении угля в жидкие продукты. К 1980-м заводы промышленной переработки углей в моторные топлива работали в ЮАР, Новой Зеландии, США, Китае. Опытно-промышленный завод действовал в Кемерове. В апреле 1981 года в газете «Правда» было опубликовано решение о строительстве при шахте «Бельковская» в Тульской области завода по производству жидких продуктов из бурого угля. Есть сведения, что он проработал несколько лет.
Однако открытие крупных залежей нефти в Поволжье и Западной Сибири «притормозило» проекты по разработке технологий и созданию производств. Делать жидкое горючее из нефти при тогдашних ценах в два доллара за баррель было экономически выгоднее. Заводы, ориентированные на выпуск «угольного» синтетического топлива, были переоборудованы в нефтеперерабатывающие и нефтехимические.

Зарубежный опыт
Другие страны, где своих месторождений нефти очень мало или вовсе нет, продолжили работу в этом направлении. Сегодня уголь в производстве синтетической нефти использует несколько крупных зарубежных компаний: Royal Dutch Shell, Sasol, Syntroleum, Rentech, Exxon Mobil, Conoco Philips, Chevron Texaco, British Petroleum (BP), Euroil Ltd. Сырьем служит природный газ (метан), сопутствующий нефтяной газ и уголь.
На своих заводах в ЮАР компания Sasol применяет две технологии: «уголь в жидкость» — CTL (coal-to-liquid) и «газ в жидкость» — GTL (gas-to-liquid). В Южноафриканской Республике, где нет собственной нефти, моторное топливо из угля производится примерно на сотне предприятий.
В промышленном сегменте наибольшее распространение получили технологии газификации углей для получения СЖТ. Методика компании «Лурга», например, предполагает использование стационарных слоев кускового угля. «Винклер» использует кипящий слой мелких угольных частиц. «Копперса-Тотцека» — аэрозольный поток топлива. Из одной тонны угля получается 2 000 м3 газовой смеси, которая может служить сырьем для производства синтетического жидкого топлива.
В Казахстане в 2012 году ДГП «НИИ новых химических технологий и материалов» представило свой вариант гидрогенизации: синтетическая нефть получается при добавлении водорода под давлением всего в 50 атмосфер. Невысокие параметры давления снижают энергозатраты. Продукт отличается более высоким, чем у природной нефти, октановым числом: 80-100 против 50-60. По оценкам ученых, на тот момент инвестиции в создание завода по выпуску СЖТ производительностью до двухсот тонн топлива в сутки по их методу составляли около шести миллионов долларов. Поскольку в Казахстане запасов угля в десятки раз больше, чем нефти, разработчики выразили уверенность, что идея будет востребована.

Российские разработки
Россия, которая по запасам нефти входит в первую десятку стран мира, тоже не осталась в стороне от популярных трендов. Несмотря на то, что страна, казалось бы, не нуждается в «угольной нефти», после 2000 года внимание отечественных ученых и промышленников к этой теме возросло. И главным аргументом в пользу перспективности такого метода получения жидкого горючего у нас называют экологичность. Ведь методики, в отличие от прямого сжигания угля, являются безотходными, практически не создают нагрузки на окружающую среду. 
На Алтае в 2006 году ООО ТЭК «Полипром» была запатентована технология получения синтетического жидкого топлива (СЖТ) из бурых углей Мунайского месторождения методом высокоскоростного высокотемпературного пиролиза. Изготовлена опытная установка.
Кемеровское конструкторское бюро Климова предлагает получать жидкое топливо из смеси угля с водой в соотношении 50х50 под высоким давлением с кавитационной механической и электромагнитной обработкой.
После дробления уголь вместе с водой поступает в электроимпульсный дезинтегратор, где под электрическим разрядом мощностью в 50 тыс. кВ «разбивается» на частицы размером в 30 микрон. Затем смесь направляется в ультразвуковой дизинтегратор и измельчается до заданной фракции. Следующий этап – преобразование в плазменном реакторе: происходящие в нем химические процессы позволяют получить топливо, близкое по своим характеристикам к природной нефти.
Затраты энергии — 5 килловатт на одну тонну угля. Сырье — бурый уголь или каменный. Выход продукта — 50% от объема исходного материала. Рентабельность производства, по данным разработчика, — 400%. Дисперсностью получаемой жидкой фракции — 1-5 микрон. Использовать ее можно в качестве топлива для котлов, в каталитических теплофикационных установках, в обжиговых печах и как готовую исходную смесь для получения синтез-газа, а в дальнейшем — синтетических моторных топлив.
Другие ученые — из Бурятии — заявляют, что их технология с использованием ультразвуковой кавитации дает еще более высокий выход нефти — до 70%.

Желающие найдутся
Эксперты предрекают рост популярности технологий переработки угля в синтетическую «нефть» в России. Себестоимость такого горючего благодаря совершенствованию технологий приближается к затратам на производство топлива из природной нефти. И несмотря на то, что запасов нефти у нас пока хватает, желающих делать искусственный аналог, по мнению специалистов, может стать больше. Хотя бы потому, что войти на этот рынок проще, чем в нефтяной сегмент.   
Что касается исходного сырья, то угля, пригодного для выпуска СЖТ, в стране достаточно. В первую очередь — в обжитых промышленных регионах: Кузнецком и Канско-Ачинском, а также в Иркутском, Ленском и других бассейнах.

Инвестиции растут
Какой путь производства СЖТ из угольного сырья найдет более широкое применение в мировой промышленной практике: гидрогенизация, газ-синтез или пиролиз? Мнения ученых по этому вопросу расходятся. Однако эксперты прогнозируют, что уже в XXI веке объемы получаемой из угля искусственной «нефти» будут сопоставимы с объемами добычи ее природной «сестры».
Это подтверждается цифрами. Так, сегодня общемировые инвестиции в решение проблемы производства синтетического жидкого топлива из угля превышают 15 млрд долларов США ежегодно. В Южно-Африканской Республикой фирма Sasol уже сейчас перерабатывает 50 млн тонн угля по схеме Фишера-Тропша и выпускает 7-8 миллионов тонн СЖТ в год. Китай в 2015 году планирует организовать производство из угля порядка 1 миллиона баррелей дизтоплива в день.
Существующие сегодня технологии позволяют получать тонну синтетической «нефти» из двух-трех тонн каменного угля или из пяти тонн бурого.
Что касается цены, то рост цен на нефть и снижение себестоимости добычи угля открытым способом повышает рентабельность производства СЖТ.

Спецвыпуск журнала «Промышленные страницы Сибири» «Добывающая промышленность» №2-2015 г.