CC BY
28Статья поступила в редакцию 20.05.11. Ред. рег. № 1029
The article has entered in publishing office 20.05.11. Ed. reg. No. 1029
УДК 665.63
РАЗВИТИЕ ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ СИНТЕТИЧЕСКИХ И АЛЬТЕРНАТИВНЫХ МОТОРНЫХ ТОПЛИВ
Е.Д. Романова, И.Д. Романов, В.А. Васильев, Е.А. Чернышов
Нижегородский государственный технический университет 603155 Нижний Новгород, ул. Минина, д. 24 Тел.: (831) 4360302, e-mail: t763@yandex.ru
Заключение совета рецензентов: 10.06.11 Заключение совета экспертов: 20.06.11 Принято к публикации: 25.06.11 В работе приведен обзор нетрадиционных технологий получения моторных топлив. Ключевые слова: синтетическое альтернативное моторное топливо, углеводороды, водород, синтез-газ, конверсия.
DEVELOPMENT OF THE SYNTHETIC AND ALTERNATIVE MOTOR FUELS
PRODUCTION TECHNOLOGY
E.D. Romanova, I.D. Romanov, V.A. Vasiliev, E.A. Chernyshov
Nizhny Novgorod State Technical University 24 Minina str., Nizhnij Novgorod, 603155, Russia Tel.: (831) 4360302, e-mail: t763@yandex.ru
Referred: 10.06.11 Expertise: 20.06.11 Accepted: 25.06.11 In this work the state of the art review of not traditional motor fuels production technologies is given. Keywords: synthetic motor fuel, hydrocarbons, hydrogen, synthesis-gas, conversion.
Понятие альтернативного топлива очень условное. Для автомобильного транспорта позапрошлого века топливо, изготовленное из нефтепродуктов, было как раз альтернативным. Чтобы заправить свой автомобиль или мотоколяску, необходимо было знать расположение ближайших аптек и надеяться, что там есть столь необходимая железному коню жидкость. Например, в Детройте, столице американского автопрома, в 1891 году всего 10-15% автомобилей работали на топливе, получаемом из нефти. Но сложилось так, что через каких-то 80 лет после открытия первого месторождения нефти в Титусвил-ле, Пенсильвания, углеводородное сырье прочно завоевало рынок энергоносителя для автотранспорта.
XX век - век глобализации. Бурный рост экономик развивающихся стран привел к росту энергопотребления. Развитие технологий дало возможность передвигаться с большей скоростью, на значительные расстояния и с большим комфортом. Но за все это приходится платить, в том числе уже нам. Рост энергопотребления вызвал нехватку одного из важнейших ресурсов - углеводородов. Ныне мировые запасы нефти составляют примерно 1000 миллиар-
дов баррелей, которые закончатся (в соответствии с наиболее оптимистическими прогнозами нефтяной индустрии) в течение примерно 65 лет при нынешних темпах потребления. (Американский Институт Нефти также прогнозирует, что 95% доступных источников нефти в мире будут исчерпаны в ближайшие 56 лет, оставшиеся 5% иссякнут через 88 лет.)
По своему химическому составу нефть - смесь углеводородов (алканов и циклоалканов). Кроме того, она содержит метан и некоторые сернистые и азотистые примеси. Бензин - легкокипящая фракция нефти, содержащая короткоцепочечные углеводороды с 5-9 атомами. Это основной вид моторного топлива для легковых автомобилей, малых энергоустановок и небольших самолетов. Керосины более вязкие и тяжелые, чем бензин: они состоят из углеводородов с 10-16 атомами углерода. Керосин стал основным видом топлива для реактивных самолетов и ракетных двигателей. Газойль - более тяжелая фракция, чем керосин. Дизельное топливо для двигателей, установленных на тепловозах, грузовиках, тракторах, содержит смесь фракций керосина и газойля. Истощение природных нефтяных месторо-
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 6 (98) 2011 © Научно-технический центр «TATA», 2011
Энергия биомассы
ждении вовсе не грозит человечеству тотальным дефицитом моторного топлива. Вещества, по химическому составу похожие на бензин, керосин или дизельное топливо, вполне можно получить из углеродного сырья не нефтяного происхождения (рисунок). И таких примеров много, начиная от самых азов двигателестроения. Первый запатентованный двигатель Сэмюэля Мори в качестве топлива использовал растительный скипидар и спирт. Четырехтактный двигатель внутреннего сгорания инженера Николауса Августа Отто, различными модификациями которого мы пользуемся и по сию пору, работал на этиловом спирте, а двигатель Рудольфа Дизеля - на арахисовом масле. Генри Форд проектировал свои автомобили, в том числе и знаменитый «Модель Т», в расчете, что они будут ездить на спирте. В начале 20 века цены на основные тогда топлива для автомобиля, спирт и бензин, были примерно равны, но с открытием новых месторождений и разработкой новых способов переработки цены на углеводородное сырье начали значительно снижаться. Спрос на биотопливо резко снизился, и интерес к ним возникал только в периоды мировых войн ввиду дефицита нефтепродуктов. Но как только восстанавливались прежние каналы нефтяных поставок, этанол и биодизель (дизельное топливо из растительных масел) вновь забывались. Вспомнить о них спустя почти 30 лет помогла нефтяная «война», начавшаяся в 1973 году. После невиданного скачка цен на нефть правительство США, главной страны-импортера,
приняло несколько законов, поощрявших производство и применение автомобильного спирта и биодизеля. Американцы начали спешно закупать европейские дизельные автомобили, которые могли работать на дешевом рапсовом, соевом и кукурузном масле. Если в начале 1970-х в США не было ни одного предприятия, производившего автомобильный этанол (прочие спирты в основном импортировались), то к 1980 году их стало уже 10, а к 1984 - 160. Однако в 1985-м война окончилась полным фиаско для стран ОПЕК, цены на бензин опять упали, а половина этаноловых заводов закрылась.
В настоящий момент наблюдается рост интереса к растительному топливу. В США, странах ЕС и странах Южной Америки (особенно в Бразилии) практически на всех заправках продается смешанное в различном процентном соотношении топливо: бензин и этанол, дизель с биодизелем, притом процентное соотношение с каждым годом увеличивается в сторону биотоплива.
Для производства биоэтонола могут быть использованы обычные типы сырья, такие как сахарный тростник, сахарная свекла, кукуруза, пшеница, кас-сава и сорго, что поддержит их глобальное распространение.
В будущем появятся способы получения биотоплива из лигноцеллюлозного сырья быстрорастущих энергоемких зерновых культур (например, трав) или сельскохозяйственных отходов (например, стержни кукурузы).
Основные технологии производства биотоплива The basic biofuel production technologies
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 6 (98) 2011
© Scientific Technical Centre «TATA», 2011
Е.Д. Романова, И.Д. Романов и др. Технология получения синтетических и альтернативных моторных топлив
Наиболее перспективным источником сырья для производства биодизеля являются водоросли. По оценкам департамента энергетики США, с одного акра (4047 м2 ~ 0,4 га) земли можно получить 255 литров соевого масла или 2400 литров пальмового масла. С такой же площади водной поверхности можно производить до 3570 баррелей бионефти (1 баррель = 159 литров). По оценкам компании Green Star Products, с 1 акра земли можно получить 48 галлонов соевого масла, 140 галлонов масла канолы и 10000 галлонов масла из водорослей.
Еще одной альтернативной заменой нефтяному углеводороду является синтетическое моторное топливо, полученное в результате процесса Фишера -Тропша. Это химическая реакция, происходящая в присутствии катализатора, в которой монооксид углерода CO и водород H2 преобразуются в различные жидкие углеводороды. Впервые синтез углеводородов из смеси СО и Н2 был осуществлен в начале XX века: Сабатье и Сандеренсом был синтезирован метан, Е.И. Орловым - этилен. В 1913 г. компания BASF взяла патент на получение смесей углеводородов и спиртов из синтез-газа над подщелоченными Co-Os катализаторами (в дальнейшем это направление вылилось в создание процесса синтеза метанола). В 1923 г. немецкие химики Ф.Фишер и Г.Тропш, сотрудники компании Ruhrchemie, сообщили о получении кислородсодержащих продуктов из синтез-газа над Fe катализаторами, а в 1926 г. - углеводородов. Первый промышленный реактор был пущен в Германии в 1935 г., использовался Co-Th осажденный катализатор. В 1930-40-е гг. на основе технологии Фишера - Тропша было налажено производство синтетического бензина (когазин-I, или синтин) с октановым числом 40-55, синтетической высококачественной дизельной фракции (когазин-II) с цетановым числом 75-100 и твердого парафина. Сырьем для процесса служил уголь, из которого газификацией получали синтез-газ, а из него углеводороды. К 1945 г. в мире имелось 15 заводов синтеза Фишера - Тропша (в Германии, США, Китае и Японии) общей мощностью около 1 млн т углеводородов в год. Они выпускали в основном синтетические моторные топлива и смазочные масла. 95% самолетов немецкой авиации летали на синтетическом моторном топливе, произведенном по данной технологии.
В послевоенные годы технологии получения синтетического моторного топлива уделялось большое внимание. Часть немецких заводов вместе с учеными и инженерами были вывезены в США, Великобританию и СССР, но в данный момент технологию получения синтетического моторного топлива успешно применяет только компании Sasol, Mossgas (ЮАР) и
Shell на своих заводах в Малайзии. Интерес к технологии проявляют такие страны, как Китай, Великобритания, Катар, США, Германия и многие международные компании, такие как Chevron, Conoco, BP, ENI, Statoil, Rentech, Syntroleum.
Последний крупный завод по получению синтетического моторного топлива в России был закрыт в 1990-х годах ввиду своей нерентабельности. Развитие данной технологии в нашей стране ведется малыми компаниями и научно-исследовательскими институтами при минимальной поддержке со стороны правительства и постоянном лоббировании своих интересов крупными нефтегазовыми корпорациями.
Существует также другая довольно эффективная, но неблагодарно забытая технология получения альтернативного ископаемому топлива - это газогенераторы. Работа газогенератора основана на процессе высокотемпературного превращения твердого топлива без доступа воздуха или в процессе горения при недостатке воздуха в газ, называемый генераторным, или древесным газом.
Данная технология разработана в 30-е годы прошлого века в СССР, и к концу Второй мировой войны эксплуатировалось более 200 тыс. газогенераторных автомобилей, тракторов, передвижных электростанций, катеров, мотовозов и других установок, которые внесли немалый вклад в победу нашей Родины.
В данный момент разрабатываются газогенераторные электростанции, работающие на различных видах топлива, в том числе и твердобытовых отходах. Разработки находятся на различных стадиях завершения, массовое применение маловероятно.
Альтернативное топливо относится к возобновляемым энергоисточникам и этим принципиально отличается от нефти, газа и угля, запасы которых на нашей планете конечны. Кроме того, биотопливо экологически относительно чисто. Ведь при его сжигании в атмосферу выбрасывается не больше углекислоты, чем потребили растения, из которых оно было выработано. Была тонна углекислого газа, ее за время своего роста «съела» высаженная на поле кукуруза, кукурузу перегнали в спирт, спирт сожгли, и эта самая тонна вернулась туда, откуда ее на время извлекли, - в атмосферу. Следовательно, общее содержание этого газа, который многие климатологи считают основной причиной «глобального потепления», не увеличивается. Экологи называют такое положение вещей «нулевой эмиссией СО 2».
Основные развитые страны и многие развивающиеся об этом уже задумались. В данный момент полным ходом идет переход на не нефтяные виды топлива. Не пора ли и нам задуматься об этом?
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 6 (98) 2011 © Научно-технический центр «TATA», 2011
