Синтетическое топливо из монооксида углерода и водорода.

Синтетическое топливо (синфьюэль): производство из угля, биомассы и природного газа через CO и H₂. Методы: Fischer-Tropsch, метанол в бензин.

13 мин чтения

100%

Источник: Synthetic fuel — Wikipedia

Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.

Содержание

Введение

Топливо из монооксида углерода и водорода, получаемое из ископаемого топлива или биомассы. Синтетическое топливо – это жидкое или, иногда, газообразное топливо, полученное из синтез-газа, смеси монооксида углерода и водорода, который, в свою очередь, был получен путем газификации твердого сырья, такого как уголь или биомасса, или путем риформинга природного газа. Распространенные способы получения синтетического топлива включают конверсию Фишера-Тропша, конверсию метанола в бензин или прямое сжижение угля.

Классификация и принципы

Термины "синтетическое топливо" имеют различные толкования. Наиболее традиционное понимание ограничивает исходное сырье углем (обычно через синтез-газ), а конечный продукт – жидкими углеводородами. Некоторые авторы также допускают использование природного газа в качестве исходного сырья. Более современные подходы (например, EIA 2006) разрешают использовать уголь, природный газ или биомассу. Конечным продуктом может быть синтетическая нефть или синтетические жидкие продукты. Промышленные и бытовые отходы также могут служить приемлемым сырьем. В некоторых определениях также допускается использование нефтяных песков и нефтяных сланцев в качестве исходного сырья для получения синтетической нефти. Синтетическое топливо производится посредством химического процесса конверсии.

История

Процесс прямого преобразования угля в синтетическое топливо был первоначально разработан в Германии. Фридрих Бергиус разработал процесс Бергиуса, который получил патент в 1913 году. Карл Гольдшмидт пригласил Бергиуса построить промышленный завод на своей фабрике, Th. Goldschmidt AG (входит в состав Evonik Industries с 2007 года), в 1914 году. Производство началось в 1919 году. Косвенное преобразование угля (где уголь газифицируется и затем преобразуется в синтетическое топливо) также было разработано в Германии Францем Фишером и Гансом Тропшем в 1923 году. Заводы, использующие процесс Бергиуса, стали основным источником высококачественного авиационного бензина, синтетического масла, синтетического каучука, синтетического метанола, синтетического аммиака и азотной кислоты для нацистской Германии. Почти треть продукции, производимой по процессу Бергиуса, приходилась на заводы в Политце (Полиция) и Леуне, ещё треть – на пять других заводов (в Людвигсхафене располагался значительно меньший завод Бергиуса). К сортам синтетического топлива относились "Т. Л. [авиационное] топливо", "авиационный бензин первого качества", "авиационный базовый бензин" и "бензиновое среднее масло", включая 10 заводов в Рурской области. В 1937 году четыре центральных немецких завода по переработке бурого угля в Бёлене, Леуне, Магдебурге/Ротензее и Цайтце, а также завод по переработке битуминозного угля в районе Рур в Шольвене/Бюере, произвели топливо. Впоследствии были построены четыре новых гидрогенизационных завода (Hydrierwerke) в Боттроп-Вельхайме (использовавшие "каменноугольную смолу"), в Нордстерне и Политце/Штеттине (использовавшие битуминозный уголь), а также новые заводы в Блеххаммере. После бомбардировок союзниками заводов по производству синтетического топлива в Германии (особенно в мае-июне 1944 года) специальный штаб Гейленберга использовал 350 000, в основном иностранных, принудительных рабочих для восстановления бомбардированных заводов по производству синтетического топлива. В июле 1944 года велась работа над подземным заводом по производству синтетического топлива проекта "Кукушка" (площадью 800 000 м²) – его "вырубали в Химмельсбурге" к северу от Миттельверка, но завод остался незавершенным к концу Второй мировой войны. После Второй мировой войны заводы прямого преобразования угля также были разработаны в США, включая завод мощностью 3 TPD в Лоуренсвилле, штат Нью-Джерси, и завод мощностью 250–600 TPD в Кэтлетсбурге, штат Кентукки. В последующие десятилетия Республика Южная Африка создала государственную нефтяную компанию, включающую крупное предприятие по производству синтетического топлива.

The process of direct conversion of coal to synthetic fuel originally developed in Germany. Friedrich Bergius developed the Bergius process, which received a patent in 1913. Karl Goldschmidt invited Bergius to build an industrial plant at his factory, the Th. Goldschmidt AG (part of
Evonik Industries from 2007), in 1914. Production began in 1919. Indirect coal conversion (where coal is gasified and then converted to synthetic fuels) was also developed in Germany by Franz Fischer and Hans Tropsch in 1923. The Bergius process plants became Nazi Germany's primary source of high grade aviation gasoline, synthetic oil, synthetic rubber, synthetic methanol, synthetic ammonia, and nitric acid. Nearly one third of the Bergius production came from plants in Pölitz (Police) and Leuna, with 1/3 more in five other plants (Ludwigshafen had a much smaller Bergius plant

Synthetic fuel grades included "T. L. [jet] fuel", "first quality aviation gasoline", "aviation base gasoline", and "gasoline middle oil"; including 10 in the Ruhr Area. In 1937 the four central Germany lignite coal plants at Böhlen, Leuna, Magdeburg/Rothensee, and Zeitz, along with the Ruhr Area bituminous coal plant at Scholven/Buer, produced of fuel. Four new hydrogenation plants (Hydrierwerke) were subsequently erected at Bottrop Welheim (which used "Bituminous coal tar pitch"), Nordstern and Pölitz/Stettin used bituminous coal, as did the new Blechhammer plants. After Allied bombing of Germany's synthetic fuel production plants (especially in May to June 1944), the Geilenberg Special Staff used 350,000 mostly foreign forced laborers to reconstruct the bombed synthetic oil plants, In July 1944 the "Cuckoo" project underground synthetic oil plant (800,000 m2) was being "carved out of the Himmelsburg" north of the Mittelwerk, but the plant remained unfinished at the end of World War II. Direct coal conversion plants were also developed in the US after World War II, including a 3 TPD plant in Lawrenceville, New Jersey, and a 250 600 TPD Plant in Catlettsburg, Kentucky. In later decades the Republic of South Africa established a state oil company including a large synthetic fuel establishment.

Процессы

Многочисленные процессы, которые можно использовать для производства синтетического топлива, в целом подразделяются на три категории: косвенного преобразования, прямого преобразования и процессы получения биотоплива.

Косвенное преобразование

Косвенное преобразование имеет самое широкое распространение во всем мире, с глобальным производством в общей сложности около [вставить количество] тонн, и множество дополнительных проектов находятся в активной разработке. Косвенное преобразование в широком смысле относится к процессу, в котором биомасса, уголь или природный газ преобразуются в смесь водорода и монооксида углерода, известную как синтез-газ, либо посредством газификации, либо посредством риформинга пара, после чего этот синтез-газ перерабатывается в жидкое транспортное топливо с использованием одной из различных технологий преобразования, в зависимости от желаемого конечного продукта. Основными технологиями, используемыми для производства синтетического топлива из синтез-газа, являются синтез Фишера-Тропша и процесс Мобиля (также известный как «Метанол в бензин» или MTG). В процессе Фишера-Тропша синтез-газ реагирует в присутствии катализатора, превращаясь в жидкие продукты (преимущественно дизельное топливо и авиационное топливо) и, потенциально, в воски (в зависимости от используемого FT-процесса). Процесс производства синтетического топлива посредством косвенного преобразования часто называют «уголь в жидкости» (CTL), «газ в жидкости» (GTL) или «биомасса в жидкости» (BTL), в зависимости от исходного сырья. По крайней мере, три проекта (Ohio River Clean Fuels, Illinois Clean Fuels и Rentech Natchez) объединяют уголь и биомассу в качестве сырья, создавая гибридные синтетические топлива, известные как Coal and Biomass To Liquids (CBTL). Технологии косвенного преобразования также могут использоваться для производства водорода, потенциально для использования в автомобилях на топливных элементах, либо как побочный продукт, либо в качестве основного выхода.

Прямая конверсия

Прямая конверсия относится к процессам, в которых уголь или биомасса непосредственно преобразуются в промежуточные или конечные продукты, минуя стадию преобразования в синтез-газ посредством газификации. Процессы прямой конверсии можно условно разделить на два основных метода: пиролиз и карбонизация, а также гидрогенизация.

Процессы гидрогенизации

Одним из основных методов прямого превращения угля в жидкости путем процесса гидрогенизации является процесс Берджиуса. В этом процессе уголь сжижается путем нагрева в присутствии водорода (гидрогенизация). Сухой уголь смешивается с тяжелой нефтью, рециркулируемой из процесса. Катализаторы обычно добавляются в смесь. Реакция происходит при температуре от до и давлении водорода от 20 до 70 МПа. Реакцию можно суммировать следующим образом:

Процесс Kohleoel, разработанный в Германии компаниями Ruhrkohle и VEBA, был использован в демонстрационной установке мощностью 200 тонн лигнита в сутки, построенной в Боттропе (Германия). Эта установка работала с 1981 по 1987 год. В этом процессе уголь смешивается с рециркулируемым растворителем и железным катализатором. После предварительного нагрева и повышения давления добавляется H2. Процесс протекает в трубчатом реакторе при давлении 300 бар и температуре . Корпорация Nuclear Utility Services разработала процесс гидрогенизации, запатентованный Уилбурном С. Шредером в 1976 году. Процесс включал высушенный, измельченный уголь, смешанный с примерно 1 мас.% катализаторов на основе молибдена. Гидрогенизация происходила при высокой температуре и давлении, а синтез-газ производился в отдельном газификаторе. В результате процесса получался синтетический сырой продукт – нафта, ограниченное количество газа C3/C4, легкие жидкости средней фракции (C5-C10), пригодные для использования в качестве топлива, небольшое количество NH3 и значительное количество CO2. Другие одноступенчатые процессы гидрогенизации включают процесс Exxon с донорским растворителем, высокотемпературный процесс Imhausen и процесс хлорида цинка Conoco. Типичным примером карбонизации является процесс Каррика. Процесс был изобретен Льюисом Кассом Карриком в 1920-х годах. Процесс Каррика – это низкотемпературный процесс карбонизации, при котором уголь нагревается от до в отсутствие воздуха. Эти температуры оптимизируют производство угольных смол, обогащенных более легкими углеводородами, чем обычная каменноугольная смола. Однако полученные жидкости в основном являются побочным продуктом, а основным продуктом является полукокс – твердое и бездымное топливо. Процесс COED, разработанный корпорацией FMC, использует кипящий слой для переработки в сочетании с повышением температуры на четырех стадиях пиролиза. Тепло передается горячими газами, образующимися при сжигании части полученного кокса. Модификация этого процесса, процесс COGAS, включает добавление газификации кокса. В настоящее время в UOP разрабатываются два таких процесса. Один использует твердое биомассовое сырье, а другой – биомасла и жиры. Процесс, использующий твердые источники биомассы второго поколения, такие как мискантус или древесная биомасса, использует пиролиз для получения биомасла, которое затем каталитически стабилизируется и дезоксигенируется для получения реактивного топлива. Процесс, использующий растительные масла и жиры, проходит через процесс дезоксигенации, за которым следуют гидрокрекинг и изомеризация для получения возобновляемого синтетического парафинового керосина для реактивных двигателей.

The Kohleoel Process, developed in Germany by Ruhrkohle and VEBA, was used in the demonstration plant with a capacity of 200 tons of lignite per day, built in Bottrop, Germany. This plant operated from 1981 to 1987. In this process, coal is mixed with a recycled solvent and an iron catalyst. After preheating and pressurizing, H2 is added. The process takes place in a tubular reactor at a pressure of 300 bar and a temperature of The Nuclear Utility Services Corporation developed the hydrogenation process which was patented by Wilburn C. Schroeder in 1976. The process involved dried, pulverized coal mixed with roughly 1wt% molybdenum catalysts. Hydrogenation occurred at a high temperature and pressure, with syngas produced in a separate gasifier. The process ultimately yielded a synthetic crude product, Naphtha, a limited amount of C3/C4 gas, light medium weight liquids (C5 C10) suitable for use as fuels, small amounts of NH3 and significant amounts of CO2. Other single stage hydrogenation processes are the Exxon donor solvent process, the Imhausen High pressure Process, and the Conoco Zinc Chloride Process. The typical example of carbonization is the Karrick process. The process was invented by Lewis Cass Karrick in the 1920s. The Karrick process is a low temperature carbonization process, where coal is heated at to in the absence of air. These temperatures optimize the production of coal tars richer in lighter hydrocarbons than normal coal tar. However, the produced liquids are mostly a by product and the main product is semi coke, a solid and smokeless fuel. The COED Process, developed by FMC Corporation, uses a fluidized bed for processing, in combination with increasing temperature, through four stages of pyrolysis. Heat is transferred by hot gases produced by combustion of part of the produced char. A modification of this process, the COGAS Process, involves the addition of gasification of char. There are two such process under development by UOP. One using solid biomass feedstocks, and one using bio oil and fats. The process using solid second generation biomass sources such as switchgrass or woody biomass uses pyrolysis to produce a bio oil, which is then catalytically stabilized and deoxygenated to produce a jet range fuel. The process using natural oils and fats goes through a deoxygenation process, followed by hydrocracking and isomerization to produce a renewable Synthetic Paraffinic Kerosene jet fuel.

Процессы добычи нефтяных песков и сланцев

Синтетическая сырая нефть также может быть получена путем переработки битума (вязкого вещества, содержащегося в нефтяных песках), или синтеза жидких углеводородов из нефтяного сланца. Существует несколько процессов извлечения сланцевой нефти (синтетической сырой нефти) из нефтяного сланца посредством пиролиза, гидрогенизации или термического разложения.

Увеличение октана

Тетраэтилсвинец был стандартной присадкой для повышения октанового числа бензина, особенно важной для синтетических топлив, например, в Германии времен Третьего рейха, получившей технологию и оборудование для его производства из США через компанию DuPont, согласно профессору доктору Энтони С. Саттону. Использование тетраэтилсвинца прекращено в наземных применениях из-за вреда свинца для здоровья.

Коммерциализация

В мире мощность заводов по производству синтетического топлива превысила 100 000 тонн, включая заводы непрямого преобразования Фишера-Тропша в Южной Африке (Mossgas, Secunda CTL), Катаре (Oryx GTL) и Малайзии (Shell Bintulu), а также завод Mobil (метанол в бензин) в Новой Зеландии. Мощность заводов по производству синтетического топлива составляет примерно 0,24% от мировой мощности по переработке 100 миллионов баррелей сырой нефти в сутки. Sasol, компания, базирующаяся в Южной Африке, управляет единственным в мире коммерческим комплексом Фишера-Тропша по переработке угля в жидкое топливо в Секунде, с мощностью. Британская компания Zero, основанная соучредителем и бывшим техническим директором Формулы-1 Пэдди Лоу, разработала решение, которое она называет «петросинтезом», для производства синтетического топлива и в 2022 году начала строительство демонстрационного завода в Бичестер Херитедж недалеко от Оксфорда.

Экономика

Экономика производства синтетического топлива значительно различается в зависимости от используемого сырья, конкретного применяемого процесса, особенностей местоположения, таких как стоимость сырья и транспортировки, а также стоимости дополнительного оборудования, необходимого для контроля выбросов. Примеры, приведенные ниже, демонстрируют широкий диапазон производственных затрат – от 20 долларов США за баррель при крупномасштабном производстве из газа в жидкое топливо до 240 долларов США за баррель при мелкомасштабном производстве из биомассы в жидкое топливо с применением технологий улавливания и хранения углерода.

Экологические соображения

Экологический след конкретного синтетического топлива значительно различается в зависимости от используемого процесса производства, применяемого сырья, применяемых систем контроля загрязнений, а также расстояния и способа транспортировки как для получения сырья, так и для распространения конечного продукта.

Выбросы парниковых газов в течение всего жизненного цикла

Среди различных технологий производства косвенных синтетических топлив потенциальные выбросы парниковых газов значительно варьируются. Ожидается, что производство жидкого топлива из угля ("CTL") без улавливания и хранения углерода ("CCS") приведет к значительно большему углеродному следу, чем у традиционных топлив, полученных из нефти (+147%). Заводы CBTL+CCS, использующие биомассу вместе с углем и одновременно осуществляющие улавливание углерода, становятся все более эффективными по мере увеличения доли биомассы. В зависимости от типа биомассы, предположений о хранении в корнях и логистике транспортировки, при консервативной доле биомассы в 40% в сочетании с углем, заводы CBTL+CCS достигают нейтрального отпечатка парниковых газов за весь жизненный цикл. При доле биомассы более 40% они начинают демонстрировать отрицательный отпечаток за весь жизненный цикл и эффективно хранят углерод в земле за каждый произведенный галлон топлива. В качестве альтернативного варианта замкнутого углеродного цикла можно объединить "чистую" электроэнергию, переработанный CO, H2 и уловленный CO2 с биомассой в качестве исходных материалов, чтобы снизить потребность в биомассе.

Выбросы топлива

Топлива, полученные в результате различных процессов производства синтетического топлива, также обладают широким спектром потенциальных экологических характеристик, хотя они, как правило, очень однородны в зависимости от типа используемого процесса (т.е. характеристики выбросов выхлопных газов дизельного топлива, полученного по технологии Фишера-Тропша, как правило, одинаковы, хотя их углеродный след за жизненный цикл может существенно различаться в зависимости от предприятия-производителя, в зависимости от используемого сырья и возможностей секвестрации на уровне предприятия). В частности, дизельное топливо и авиакеросин, полученные по технологии Фишера-Тропша, обеспечивают значительное снижение выбросов всех основных загрязняющих веществ, таких как SOx, NOx, твердые частицы и углеводороды. Эти виды топлива, благодаря высокой степени чистоты и отсутствию примесей, позволяют использовать современное оборудование для контроля выбросов. В исследовании на динамометрическом стенде 2005 года, имитирующем городское вождение, было показано, что их комбинация практически устраняет выбросы HC, CO и PM от дизельных грузовиков при увеличении расхода топлива на 10% при использовании топлива Shell gas-to-liquid, оснащенного комбинированным сажевым фильтром и каталитическим нейтрализатором, по сравнению с теми же грузовиками без модификаций, использующими дизельное топливо California Air Resource Board.

The fuels produced by the various synthetic fuels process also have a wide range of potential environmental performance, though they tend to be very uniform based on the type of synthetic fuels process used (i. e. the tailpipe emissions characteristics of Fischer–Tropsch diesel tend to be the same, though their lifecycle greenhouse gas footprint can vary substantially based on which plant produced the fuel, depending on feedstock and plant level sequestration considerations.) In particular, Fischer–Tropsch diesel and jet fuels deliver dramatic across the board reductions in all major criteria pollutants such as SOx, NOx, Particulate Matter, and Hydrocarbon emissions. These fuels, because of their high level of purity and lack of contaminants, allow the use of advanced emissions control equipment. In a 2005 dynamometer study simulating urban driving the combination was shown to virtually eliminate HC, CO, and PM emissions from diesel trucks with a 10% increase in fuel consumption using a Shell gas to liquid fuel fitted with a combination particulate filter and catalytic converter compared to the same trucks unmodified using California Air Resource Board diesel fuel
In testimony before the Subcommittee on Energy and Environment of the U. S. House of Representatives the following statement was made by a senior scientist from Rentech:
F T fuels offer numerous benefits to aviation users. The first is an immediate reduction in particulate emissions. F T jet fuel has been shown in laboratory combusters and engines to reduce PM emissions by 96% at idle and 78% under cruise operation. Validation of the reduction in other turbine engine emissions is still under way. Concurrent to the PM reductions is an immediate reduction in emissions from F T fuel. F T fuels inherently reduce emissions because they have higher energy content per carbon content of the fuel, and the fuel is less dense than conventional jet fuel allowing aircraft to fly further on the same load of fuel. The "cleanness" of these FT synthetic fuels is further demonstrated by the fact that they are sufficiently non toxic and environmentally benign as to be considered biodegradable. This owes primarily to the near absence of sulfur and extremely low level of aromatics present in the fuel. In 2023, a study published by the NATO Energy Security Centre of Excellence, concluded that synthetic FT fuels offer one of the most promising decarbonization pathways for military mobility across the land, sea and air domains.

В показаниях перед Подкомитетом по энергетике и окружающей среде Палаты представителей США старший научный сотрудник Rentech сделал следующее заявление:
Топливо FT предлагает многочисленные преимущества для авиационных пользователей. Первое – немедленное сокращение выбросов твердых частиц. Лабораторные испытания камер сгорания и двигателей показали, что авиакеросин FT снижает выбросы PM на 96% на холостом ходу и на 78% в крейсерском режиме. Подтверждение сокращения выбросов других турбинных двигателей продолжается. Параллельно с сокращением выбросов твердых частиц происходит немедленное снижение выбросов от топлива FT. Топливо FT по своей природе снижает выбросы, поскольку имеет более высокую энергетическую ценность на единицу содержания углерода и менее плотное, чем обычный авиакеросин, что позволяет самолетам летать дальше с той же загрузкой топлива. "Чистота" этих синтетических топлив FT дополнительно подтверждается тем фактом, что они достаточно нетоксичны и экологически безопасны, чтобы считаться биоразлагаемыми. Это обусловлено, прежде всего, почти полным отсутствием серы и крайне низким содержанием ароматических углеводородов в топливе. В 2023 году исследование, опубликованное Центром передового опыта НАТО по вопросам энергетической безопасности, пришло к выводу, что синтетические топлива FT предлагают один из наиболее перспективных путей декарбонизации военной мобильности на суше, на море и в воздухе.

Устойчивость

Одной из часто поднимаемых проблем, связанных с развитием заводов по производству синтетического топлива, является устойчивость. По сути, переход от нефти к углю или природному газу для производства транспортного топлива – это переход от одного, по своей природе исчерпаемого и геологически ограниченного ресурса, к другому. Одной из ключевых особенностей производства синтетического топлива является возможность использования различных видов сырья (уголь, газ или биомасса) для получения одного и того же продукта на одном и том же заводе. В случае гибридных установок BCTL некоторые предприятия уже планируют использовать значительную долю биомассы в сочетании с углем. В конечном итоге, при удачном местоположении с хорошей доступностью биомассы и достаточно высоких ценах на нефть, заводы по производству синтетического топлива могут перейти с угля или газа на 100% использование биомассы. Это открывает путь к возобновляемому источнику топлива и потенциально к большей устойчивости, даже если завод изначально производил топливо исключительно из угля, обеспечивая совместимость инфраструктуры даже после исчерпания ископаемого сырья. Некоторые процессы производства синтетического топлива легче перевести на устойчивые методы, чем другие, в зависимости от выбранного оборудования. Это важное соображение при проектировании и строительстве таких предприятий, поскольку в планировке завода необходимо предусмотреть дополнительное пространство для будущих изменений, связанных с обработкой материалов и газификацией, которые могут потребоваться для адаптации к новым производственным профилям.

Для транспортных средств с двигателями внутреннего сгорания

Электротопливо, также известное как e-топливо или синтетическое топливо, представляет собой топливо, которое может использоваться в качестве прямой замены существующим видам топлива. Оно производится из захваченного углекислого газа или угарного газа в сочетании с водородом, полученным из возобновляемых источников электроэнергии, таких как ветровая, солнечная и атомная энергия. В процессе производства используется углекислый газ, а при сжигании топлива в атмосферу выделяется примерно такое же количество углекислого газа, что обеспечивает низкий общий углеродный след. Таким образом, электротопливо является одним из способов снижения выбросов парниковых газов в транспортном секторе, особенно в сфере дальних грузоперевозок, морского и авиационного транспорта. Основными видами электротоплива являются бутанол и биодизель, но также к ним относятся другие спирты и углеродсодержащие газы, такие как метан и бутан.