Кіріспе

Көміртек оксиді мен сутегінен алынатын отын, яғни, табиғи отын немесе биомассадан өндірілген отын.

Синтетикалық отын – сұйық немесе кейде газ тәрізді отын, ол көміртек оксиді мен сутегі қоспасынан, яғни синтетикалық газdan алынады. Синтетикалық газ көмір немесе биомасса сияқты қатты шикізатты газдандыру арқылы немесе табиғи газды қайта өңдеу арқылы өндіріледі. Синтетикалық отынды тазартудың негізгі әдістері: Фишер-Тропш конверсиясы, метанолды бензинге айналдыру немесе тікелей көмір сұйыту.

Жіктеу және принциптер

"Синтетикалық отын" немесе "синтетикалық отын" терминдерінің мағыналары кең ауқымды. Ең дәстүрлі көзқарас кіріс материалды (шикізатты) көмірмен (көбінесе синтездік газ арқылы) және шығысты сұйық көмірсутектермен шектейді. Кейбір авторлар табиғи газды да кіріс ретінде қабылдауға рұқсат етеді. Жаңа түсініктер (мысалы, EIA 2006) шикізат ретінде көмір, табиғи газ немесе биомассаны пайдалануға мүмкіндік береді. Шығыс өнімдері синтетикалық шикі мұнай немесе синтетикалық сұйық өнімдер болуы мүмкін. Өнеркәсіптік және тұрмыстық қалдықтар да қабылданатын шикізат болып табылады. Кейбір анықтамаларда мұнай құмдары мен тақтатас мұнайы да синтетикалық шикі мұнай арқылы қабылданатын кіріс материалдары ретінде қарастырылады. Синтетикалық отын химиялық түрлендіру процесі арқылы өндіріледі.

Тарих

Көмірді синтетикалық отынға тікелей түрлендіру процесі бастапқыда Германияда дамыған. Фридрих Бергиус 1913 жылы патент алған Бергиус процесін әзірледі. Карл Голдшмидт Бергиусті өзінің фабрикасында өнеркәсіптік зауыт салуға шақырды, ол 1914 жылы Goldschmidt AG (2007 жылдан бастап Evonik Industries құрамына кіреді) компаниясының бір бөлігі болды. Өнімді өндіру 1919 жылы басталды. Көмірді жанармайға айналдыру (көмір газдандырылып, синтетикалық отынға айналдырылады) 1923 жылы Франц Фишер мен Ханс Тропш Германияда дамытты. Бергиус зауыттары нацистік Германияның жоғары сапалы авиациялық бензин, синтетикалық мұнай, синтетикалық каучук, синтетикалық метанол, синтетикалық аммиак және азот қышқылының негізгі көзіне айналды. Бергиус өндірісінің үштен бір бөлігі Пёлиц (Полиция) және Леунадағы зауыттардан, ал тағы үштен бір бөлігі бес басқа зауытта (Лудвигсхафенде одан да кішкентай Бергиус зауыты болды) шықты. Синтетикалық отынның түрлеріне "Т. Л. [ұшақ] отыны", "бірінші сапалы авиациялық бензин", "авиациялық базалық бензин" және "бензин орта майы" кірді, оның ішінде 10-ы Рур аймағында орналасқан. 1937 жылы Германияның төрт лигниттік көмір зауыты – Бёлен, Леуна, Магдебург/Ротензе және Цайц, сондай-ақ Рур аймағындағы Scholven/Buer битумді көмір зауыты отын өндірді. Кейіннен Боттроп-Велхаймде төрт жаңа гидрогендеу зауыты (Hydrierwerke) салынды ("битумді көмір шайыры" пайдаланылды), Нордстерн және Пёлиц/Штеттин битумді көмірді пайдаланды, сондай-ақ жаңа Блехаммер зауыттары да салынды. Германияның синтетикалық отын өндірісі зауыттарына одақтастардың бомбалау шабуылдарынан кейін (әсіресе 1944 жылдың мамыр-маусымында), Гейленберг арнайы штабы бомбаланған синтетикалық мұнай зауыттарын қайта құру үшін 350 000, көбінесе шетелдік мәжбүрлі жұмысшыларды жұмылдырды. 1944 жылдың шілдесінде "Күкі" жобасы бойынша жер асты синтетикалық мұнай зауыты (800 000 м2) "Миттелверктен" солтүстікке қарай "Гиммельсбургтен" қазыла бастады, бірақ зауыт Екінші дүниежүзілік соғыс аяқталғанда толыққанды аяқталмады. Екінші дүниежүзілік соғыстан кейін АҚШ-та да тікелей көмірді өңдеу зауыттары салынды, оның ішінде Нью-Джерси штатының Лоуренсвилл қаласында 3 ТПД зауыты және Кентукки штатының Кэтлетсбург қаласында 250-600 ТПД зауыты болды. Кейінгі онжылдықтарда Оңтүстік Африка Республикасы мемлекеттік мұнай компаниясын құрды, оның құрамында ірі синтетикалық отын өндірісі бар.

Процестер

Синтетикалық отын өндіруге қолданылатын көптеген процестер үш негізгі санатқа бөлінеді: жанама, тікелей және биоотын өндіру процестері.

Тікелей емес конверсия

Жанама түрлендіру әлемде ең көп тараған әдіс болып табылады, әлемдік өндіріс шамамен миллион тоннаға жетеді және көптеген жобалар даму үстінде. Жанама түрлендіру – биомасса, көмір немесе табиғи газды газдандыру немесе булы метанды реформалау арқылы сутегі мен көміртек моноксидінің қоспасы – синтетикалық газға айналдыру процесін және одан кейін синтетикалық газды қажетті түпкі өнімге байланысты әртүрлі түрлендіру техникаларын қолдана отырып, сұйық көліктік отынға өңдеуді білдіреді. Синтетикалық газdan синтетикалық отын өндіретін негізгі технологиялар – Фишер-Тропш синтезі және Мобиль процесі (сонымен қатар метанолдан бензинге айналдыру, немесе МТГ деп те аталады). Фишер-Тропш процесінде синтетикалық газ катализатордың қатысуымен реакцияға түсіп, сұйық өнімдерге (негізінен дизельдік отын және авиациялық отынға) және, қолданылатын FT процесіне байланысты, балауызға айналады. Жанама түрлендіру арқылы синоотын өндіру процесі бастапқы шикізатқа қарай көмірден сұйықтыққа (CTL), газдан сұйықтыққа (GTL) немесе биомассадан сұйықтыққа (BTL) деп аталады. Кем дегенде үш жоба (Ohio River Clean Fuels, Illinois Clean Fuels және Rentech Natchez) көмір мен биомасса шикізаттарын біріктіріп, көмір мен биомассадан сұйықтыққа (CBTL) гибридтік шикізат синтетикалық отынын өндіреді. Жанама түрлендіру технологияларын сутегі өндіру үшін де қолдануға болады, мүмкін, отын жасушалы көліктерде, қосымша өнім ретінде немесе негізгі өнім ретінде.

Тікелей конверсия

Тікелей түрлендіру – көмір немесе биомасса шикізатын газдандыру арқылы синтездік газға айналдыруды болдырмай, тікелей аралық немесе түпкі өнімдерге түрлендіру процестерін білдіреді. Тікелей түрлендіру процестерін екі негізгі әдіске бөлуге болады: пиролиз және карбонизация, сондай-ақ гидрогенациялау.

Гидрогенациялау процестері

Көмірді сутектеу арқылы сұйықтыққа тікелей айналдырудың негізгі әдістерінің бірі – Бергиус процесі. Бұл процесте көмір сутек газының қатысуымен қыздырылып сұйытылады (сутекті). Құрғақ көмір қайта өңделген ауыр маймен араластырылады. Әдетте, қоспаға катализаторлар қосылады. Реакция 20 мен 70 МПа арасындағы сутек қысымында жүзеге асады. Реакцияны былай қорытындылауға болады: Германияда Ruhrkohle және VEBA компаниялары әзірлеген Kohleoel процесі Германияның Боттроп қаласында салынған, тәулігіне 200 тонна лигнит өндіретін демонстрациялық қондырғыда қолданылды. Бұл қондырғы 1981 жылдан 1987 жылға дейін жұмыс істеді. Бұл процесте көмір қайта өңделген еріткішпен және темір катализаторымен араластырылады. Алдын ала қыздырылып, қысымға түсіргеннен кейін H2 қосылады. Процесс құбырлы реакторда 300 бар қысымда және белгілі бір температурада жүргізіледі. Ядролық пайдалы қызметтер корпорациясы 1976 жылы Уилберн С. Шредер патенттеген сутектеу процесін әзірледі. Бұл процесске кептірілген, ұнтақталған көмірді шамамен 1 салмақ пайызы молибден катализаторымен араластыру қажет. Гидрогенациялау жоғары температурада және қысымда жүзеге асырылады, ал синтетикалық газ бөлек газдандырғышта өндіріледі. Процесс нәтижесінде синтетикалық шикізат, нафта, шектеулі мөлшерде C3/C4 газы, отын ретінде пайдалануға жарамды жеңіл және орташа салмақты сұйықтықтар (C5-C10), аз мөлшерде NH3 және маңызды мөлшерде CO2 алынады. Басқа бір сатылы гидрогенациялау процестері – Exxon донорлық еріткіш процесі, Imhausen жоғары қысым процесі және Conoco мырыш хлориді процесі. Карбонизацияның классикалық мысалы – Karrick процесі. Бұл процесті 1920 жылдары Льюис Касс Каррик ойлап тапты. Karrick процесі – төмен температурадағы карбонизациялау процесі, онда көмір ауаның болмауында белгілі бір температураға дейін қыздырылады. Бұл температуралар көмір шайырын, қалыпты көмір шайырынан жеңіл гидрокөмірлерге бай етіп өндіруге мүмкіндік береді. Алайда, алынған сұйықтықтар көбінесе қосалқы өнім болып табылады, ал негізгі өнім – жартылай кокс, қатты және түтінсіз отын. FMC Corporation әзірлеген COED процесі төрт сатылы пиролизбен жүзеге асырылатын температураның жоғарылауымен біріктірілген ағынды төсек арқылы өңделеді. Жылу өндірілген кокс бөлігінің жануынан пайда болатын ыстық газдармен беріледі. Бұл процестің модификациясы – COGAS процесі, ол кокс газдандыруды қамтиды. UOP компаниясы екі мұндай процесті әзірлеп жатыр. Біреуі қатты биомассадан, екіншісі биомайдан және майлардан алынады. Қатты екінші буын биомасса көздерін пайдаланатын процесс, мысалы, switchgrass немесе ағаш биомассасы, биомай өндіру үшін пиролизді қолданады, содан кейін ол каталитикалық тұрақтандырылып, оттегінен арылып реактивтік отынға айналдырылады. Табиғи майлар мен майларды пайдаланатын процесс дезоксигенациялаудан өтеді, содан кейін гидрокрекинг және изомеризация арқылы жаңартылатын синтетикалық парафиндік керосин реактивтік отыны өндіріледі.

Мұнай құмы және мұнай шикізаты процестері

Синтетикалық шикі мұнай битумды (мұнай құмдарында кездесетін шайыр тәрізді зат) жаңарту арқылы немесе мұнай палевінен сұйық көмірсутектерді синтездеу арқылы да жасалуы мүмкін. Мұнай палевінен шикі мұнайды (синтетикалық шикі мұнай) піролиз, гидрогенациялау немесе жылулық еріту әдістерімен алудың бірнеше процесі бар.

Октанының өсуі

Тетраэтил қорғасын бензиндегі октанды арттыру үшін стандартты қоспа болды, әсіресе 3-ші рейх Германиясындағы синтетикалық отындар үшін маңызды болды. Профессор доктор Энтони С. Саттонның мәліметінше, бұл өндіріс процесі мен жабдығы АҚШ-тан DuPont арқылы алынған. Қорғасынның денсаулыққа зиянды екендігіне байланысты тетраэтил қорғасынның құрлықтағы қолданылуы тоқтатылды.

Коммерциялық мақсатта пайдалану

Әлемдегі синтетикалық отын өндірісінің жалпы қуаты, Оңтүстік Африкадағы (Mossgas, Secunda CTL), Катардағы (Oryx GTL) және Малайзиядағы (Shell Bintulu) жанама түрлендіруге негіделген Фишер-Тропш зауыттарын, сондай-ақ Жаңа Зеландиядағы Mobil процесі (Метанолдан бензинге) зауытын қамтиды. Синтетикалық отын зауыттарының қуаты әлемдегі күніне 100 миллион баррельді қайта өңдейтін мұнай өңдеу қуатының шамамен 0,24% құрайды. Оңтүстік Африкада орналасқан Sasol компаниясы Secunda-да көмірден сұйық отын алатын әлемдегі жалғыз коммерциялық Fischer-Tropsch қондырғысын пайдаланады, ал бұрынғы F1 техникалық директоры Пэдди Лоудың қатысуымен құрылған британдық Zero компаниясы синтетикалық отын өндіру үшін 'петросинтез' деп аталатын жаңа технологияны әзірледі және 2022 жылы Оксфорд маңындағы Бичестер мұражайында демонстрациялық өндіріс орнатылысын салуға кірісті.

Экономика

Синтетикалық отынды өндірудің экономикасы қолданылатын шикізатқа, қолданылатын нақты технологияға, шикізат пен тасымалдау құны сияқты учаскенің ерекшеліктеріне, сондай-ақ шығарындыларды бақылауға қажетті қосымша жабдықтардың құнына байланысты үлкен айырмашылықтарға ие. Төменде сипатталған мысалдар өндіріс құнының 20 доллар/баррельден (ірі көлемдегі газды сұйықтыққа айналдыру үшін) 240 доллар/баррельге дейін (шағын көлемдегі биомассадан сұйықтық және көміртегіді ұстау мен сақтау үшін) кең ауқымды екенін көрсетеді.

Қоршаған ортаны қорғау

Белгілі бір синтетикалық отынның қоршаған ортаға тигізетін әсері қолданылатын технологияға, пайдаланылатын шикізатқа, қолданылатын ластануды бақылау шараларына, сондай-ақ шикізатты жеткізу және дайын өнімді таратқандағы қашықтық пен тасымалдау тәсіліне байланысты күрт өзгереді.

Өмірлік цикл бойынша парниктік газдар шығарындылары

Түрлі жанама FT синтетикалық отын өндірісі технологияларының арасында парниктік газдардың шығарылу мүмкіндігі әр түрлі. Көмірден сұйық отын алу ("CTL"), көміртекті жинау және сақтау ("CCS") технологиясы қолданылмаған жағдайда, дәстүрлі мұнайдан алынған отынға қарағанда көміртегінің іздері айтарлықтай жоғары болуы мүмкін (+147%). Көмірмен бірге биомасса қосылып, көміртегі жиналатын CBTL+CCS зауыттары, қосылған биомасса мөлшері артаған сайын тиімдірек жұмыс істейді. Биомасса түріне, тамыр жүйесіндегі сақталу туралы болжамдарға және көмірмен бірге 40% биомассаны тасымалдау логистикасына байланысты, CBTL+CCS зауыттары өмірлік циклы бойынша парниктік газдардың тепе-тең іздеріне қол жеткізеді. 40%-дан астам биомасса қолданғанда, олар өмірлік циклы бойынша теріс көрсеткіштерге жетеді және өндірілген әр галлон отын үшін көміртегін жерге жинап қояды. Тағы бір жабық көміртек циклы ретінде, "таза" электр энергиясын, қайта өңделген СО, H2 және жиналған CO2-ні биомассамен біріктіру арқылы қажетті биомасса мөлшерін азайтуға болады.

Отынның шығарындылары

Әр түрлі синтетикалық отын өндірісі процесінде өндірілетін отындардың қоршаған ортаға тигізетін әсері де әртүрлі, бірақ олар қолданылатын синтетикалық отын өндірісі түріне байланысты біркелкі болады (яғни, Фишер-Тропш дизелінің шығарындылары біркелкі, бірақ олардың өмірлік циклы бойынша парниктік газдардың әсері отынды қай зауыт өндіргеніне байланысты, шикізат пен зауыт деңгейіндегі сіңіру шараларына байланысты айтарлықтай өзгеше болуы мүмкін). Әсіресе, Фишер-Тропш дизелі және реактивтік отын SOx, NOx, бөлшектік заттар және көмірсутектер сияқты барлық негізгі ластаушы заттардың шығарындыларын күрт азайтады. Бұл отындардың жоғары тазалығы мен қоспалардың болмауы, жетілдірілген шығарындыларды бақылау жабдықтарын пайдалануға мүмкіндік береді. 2005 жылы қалалық жүруді симуляциялаған динамиометрлік зерттеуде, Shell газынан сұйық отынға айналдырылған отынды, бөлшектік сүзгі мен катализаторлық түрлендіргіштің комбинациясымен жабдықталған дизельдік жүк көліктеріндегі ГС, СО және ЖҚ шығарындыларын дерлік жоюға болатыны көрсетілді. Бұл Калифорнияның Ауа ресурстарын басқару кеңесінің дизель отынын пайдаланғанмен салыстырғанда, отын тұтыну 10%-ға артты. АҚШ Өкілдер палатасының Энергетика және қоршаған орта жөніндегі кіші комитетіне Rentech компаниясының аға ғалымы куәлік берген кезде мына мәлімдеме жасады: FT отындары авиация пайдаланушыларына көптеген артықшылықтар ұсынады. Біріншісі – бөлшектік шығарындыларды дереу азайту. Зертханалық жану камераларында және қозғалтқыштарда FТ реактивтік отынының бос жүрісте ТҚҚ шығарындыларын 96%-ға, ал крейсерлік режимде 78%-ға азайтатыны дәлелденген. Басқа турбиналық қозғалтқыштардың шығарындыларын азайту жөніндегі жұмыстар жалғасуда. ТҚҚ азайтумен қатар FТ отынынан шығатын шығарындылардың да дереу азаюы байқалады. FТ отындарының жоғары энергия тығыздығы және көміртегінің мөлшеріне шаққандағы энергия мазмұнының жоғары болуы, сондай-ақ отынның дәстүрлі реактивтік отынға қарағанда аз тығыздығы, ұшақтардың бірдей отын жүктемесімен ұзаққа ұшуына мүмкіндік береді. Бұл FT синтетикалық отындарының "тазалығын" олардың жеткілікті түрде уытсыз және қоршаған ортаға зиянсыз болуымен, тіпті биоразлаган болып саналатынымен көрсетеді. Бұл негізінен отындағы күкірттің жоқтығына және ароматтардың өте төмен деңгейіне байланысты. 2023 жылы НАТО Энергиялық қауіпсіздік орталығы жариялаған зерттеуде синтетикалық FT отындары құрлықта, теңізде және әуедегі әскери мобильділікті декарбонизациялаудың ең перспективті жолдарының бірі екені қорытындыланды.

Тұрақтылық

Синтетикалық отын зауыттарын дамытуда көтерілетін басты мәселелердің бірі – тұрақтылық. Негізінен, көліктік отын өндірісі үшін мұнайдан көмірге немесе табиғи газға өту – геологиялық тұрғыдан шектеулі, таусылатын бір ресурс орнына екінші таусылатын ресурсты пайдалану екендігін білдіреді. Синтетикалық отын өндірісінің ерекше артықшылығы – бір зауытта бірдей өнімді алу үшін әртүрлі шикізатты (көмір, газ немесе биомасса) қолдану мүмкіндігі. Гибридтік БТТҚ (BCTL) зауыттарында кейбір кәсіпорындар көмірмен қатар биомассаны да пайдалануды жоспарлап отыр. Тиісінше, биомассаның жеткілікті болуы және мұнай бағасының жоғары деңгейде болуы жағдайында синтетикалық отын зауыттарын көмірден немесе газбен жұмыс істеуден 100% биомассаға көшіруге болады. Бұл жаңартылатын отынға көшуге және, мүмкін, одан да тұрақты болуға жол ашады, тіпті егер зауыт бастапқыда тек көмірден отын өндірген болса да, инфрақұрылымды болашаққа дайын қылып дамытуға мүмкіндік береді, тіпті бастапқы шикізат қоры таусылған жағдайда да. Кейбір синтетикалық отын процестерін таңдалған жабдыққа байланысты, басқа процестерге қарағанда тұрақты өндіріс тәжірибелеріне оңайрақ өзгертуге болады. Сондықтан, мұндай зауыттар жоспарланып, іске асырылатын кезде бұл маңызды жобалау факторы болып табылады, өйткені болашақта материалдарды тасымалдау және газдандыру саласындағы өзгерістерді қажет етуі мүмкін болашақ өндіріс профиліне сәйкес, зауыттың орналасуында қосымша орын қалдырылуы керек.

Ішкі жанатын қозғалтқыштары бар көліктер үшін

Электр отыны, сондай-ақ e отыны немесе синтетикалық отын деп аталады, ол тікелей алмастыратын отынның бір түрі. Олар ауадан ұсталған көмірқышқыл газы немесе көміртек моноксиді және жел, күн және ядролық энергия сияқты тұрақты электр энергиясы көздерінен алынған сутегі қолданып өндіріледі. Бұл процесте көмірқышқыл газы өндірісте пайдаланылады және отын жаққанда шамамен бірдей көлемде көмірқышқыл газы атмосфераға шығарылады, нәтижесінде көміртегінің жалпы іздері төмендейді. Сондықтан электроотын көліктің парниктік газдар шығарындыларын азайтуға мүмкіндік береді, әсіресе ұзақ қашықтыққа жүк тасымалы, теңіз және әуе көлігінде. Басты назарда бутанол және биодизель тұр, бірақ басқа спирттер мен метан және бутан сияқты көміртегі бар газдар да кіреді.