Один из потенциальных резервов жидкого топлива

Один из потенциальных резервов жидкого топлива

В № 1 журнала "Внешнеэкономический бюллетень" за 2005 г. (с. 58-59) была опубликована краткая информация об успешном эксперименте в России по ожижению углей. Информация вызвала живой интерес у читателей. Идя навстречу их пожеланиям, ниже приводим более подробную информацию по данной проблеме. Речь идет в основном о предыстории успеха русских ученых и инженеров. Источником информации являются публикации специа-листов-экономистов угольной отрасли.

❖

❖

❖

Постоянный рост потребности в жидком моторном топливе обусловливается главным образом развитием различных видов транспорта, для которых оно является технологически необходимым и долгое время будет оставаться безальтернативным. Вместе с тем, дальнейшее увеличение объемов производства бензина, керосина и других видов моторного топлива в значительной мере будет сдерживаться из-за относительной ограниченности запасов традиционного сырья - нефти.

Ресурсы жидкого топлива можно увеличить на основе вовлечения в переработку нетрадиционных источников сырья.

В условиях России в качестве источников для получения жидкого топлива могут быть использованы горючие сланцы, битуминозные пески и различные марки углей. При этом наиболее перспективным сырьем для производства синтетического жидкого топлива признается уголь как широко распространенный вид твердых горючих ископаемых. На базе углей было организовано производство синтетического топлива в прошлом, на его основе работают промышленные предприятия

сейчас и на него ориентируются в будущем. В зависимости от конкретных условий в качестве сырья рекомендуются некоторые марки бурых или каменных углей. Применительно к ним проверяются технологические схемы производства синтетического топлива. К числу таких схем, разрабатываемых в нашей стране, следует отнести гидрогенизацию углей. В этом случае рассматриваемое сырье под давлением превращается в жидкую массу -гидрогенизат, перерабатываемый на следующих стадиях процесса в моторные виды топлива и химические продукты.

Термохимическая переработка углей в видимой перспективе приобретает практическое значение, обусловленное потребностью в продукции энергетического и технологического назначения и возможностью ее производства на основе различных технологий. Бесспорным признается также и то, что использование разработанных технологий (процессов) в промышленных условиях и сроки их внедрения во многом определяется экономическими соображениями: эффектив-

ностью — для производителя и приемлемыми ценами — для потребителя.

Современное состояние

технической базы переработки

углей в жидкие продукты

Производство синтетического жидкого топлива из твердых горючих ископаемых, в частности из бурых и каменных углей, имеет относительно длинную историю. Первые опыты по решению этой проблемы на основе метода гидрогенизации были проведены в Германии Ф. Бергиусом. На основе результатов этих опытов и дополнительных исследований, выполненных компанией "ИГ Фарбениндустри”, были разработаны основы технологии гидрогенизации углей и построены первые опытно-промышленные установки в Германии (1927 г.) и Англии (1933 г.).

В Германии была разработана и внедрена в промышленность и другая технология производства синтетического жидкого топлива, основными стадиями которой являлись газификация угля и превращение (синтез) полученного газа в бензин и другие виды продукции топливного и химического назначения по методу Фишера-Тропша. На построенных опытных установках, а впоследствии и на промышленных предприятиях, в основном применяли технологию прямого ожижения угля на основе гидрогенизации и лишь на незначительной части заводов — газификацию угля с последующим синтезом углеводородных газов.

Производство синтетического жидкого топлива из угля в промышленных условиях получило относительно широкое развитие перед второй мировой войной. Так, в Германии существовала целая отрасль промышленности по производству жидкого топлива из углей. К началу второй мировой войны в Германии работало шестнадцать заводов, в том числе двенадцать из них производило топливо на основе прямого ожижения угля методом гидрогенизации и четыре — путем газификации угля и синтеза газа. В 1944 г. на этих заводах вырабатывалось 5 млн т моторного топлива. Доля бензина, получаемого на основе ожижения угля, составляла на германском рынке 69%. Расход угля на технологические цели (сырье), произ-

водство водорода и энергетические нужды (выработка пара, электроэнергии) составлял около 3,6 т у.т. в расчете на 1 т жидкого топлива, в том числе для процесса гидрирования — 1,25 т, производства водорода — 1,36 т и выработки энергоносителей - 1 т. Таким образом, из 3,6 т угля с содержанием 25 Гкал тепла получали 1 т жидких горючих и ожиженных газов с суммарным теплосодержанием их примерно 10 Гкал. Термический к.п.д. процесса составлял несколько более 40%.

В Советском Союзе в довоенные годы проводились широкие лабораторные исследования по получению синтетического жидкого топлива из угля. Были построены опытные установки в Харькове, Кемерове и Челябинске. Во время Великой Отечественной войны и в послевоенный период были введены в эксплуатацию три завода полукоксования угля в городах Черемхово, Ленинск-Кузнецк и Ангарск, на которых вырабатывалось жидкое топливо путем гидрогенизации смолы, получаемой в свою очередь на основе полукоксования черемховских и кузнецких каменных углей.

Построенные в СССР промышленные предприятия, так же как и в других странах, предназначались главным образом для получения синтетического жидкого топлива, отвечающего предъявляемым требованиям со стороны моторного парка и способного конкурировать по экономическим показателям с аналогичной продукцией из нефти. Для отечественных заводов поставленная задача оказалась невыполнимой ни в части качественной характеристики получаемого топлива, ни в части экономики их производства. Синтетическое моторное топливо, получаемое на базе переработки угля, имело относительно низкое качество и высокие затраты на его производство. Основными причинами создавшегося положения явились несовершенство технологических схем, применяемых для производства синтетического жидкого топлива, малый объем производимой продукции и высокая стоимость исходного сырья.

Строительство и эксплуатация заводов, указанного выше профиля, во всех

странах сохранялось до 50-х годов, т.е. до открытия и освоения крупных высокоэкономичных месторождений нефти на Ближнем Востоке, в Северной Африке, СССР и других регионах мира. В последующие годы по этой причине и по причинам экономического характера многие заводы по производству синтетического жидкого топлива из углей были переориентированы на выработку другой продукции или прекратили свое существование.

В 80-е годы имелось одно предприятие в ГДР, на котором бурый уголь в печах полукоксования разлагался на полукокс, газ и смолу, в дальнейшем подвергаемую гидрогенизации под давлением 300 атм. Выход смолы на предприятии составлял 500 тыс т в год. В результате ее переработки получали автомобильный бензин, дизельное топливо, парафин и смазочные масла. Производство этих продуктов являлось рентабельным.

В настоящее время производство жидких продуктов из углей в промышленных масштабах осуществляется в ЮАР. В этой стране находится в эксплуатации предприятие по производству жидкого топлива и химических продуктов из угля, технология которого базируется па сочетании двух методов газификации угля и синтеза газа в жидкие продукты по Фише-ру-Тропшу.

Первая очередь этого предприятия мощностью 0,4 млн т жидких продуктов была введена в эксплуатацию в 1955 г., вторая — мощностью 2 млн т в 1981 г. и третья — с таким же объемом производства в 1983 г. Это предприятие расходует 33 млн т бурых углей в год и обеспечивает более половины потребности страны в жидком топливе. Рентабельная работа рассматриваемого предприятия обусловливается в основном низкими затратами в добычу угля и отсутствием собственных запасов нефти. В разработке проектов и строи-тельстве этих частей предприятия принимали участие фирмы США, Англии, ФРГ, Японии и Франции.

В связи с относительной ограниченностью ресурсов нефти и постоянным ростом потребности в моторном топливе

со стороны различных видов транспорта, для которых оно является технологически необходимым и еще долгое время будет оставаться безальтернативным, вновь, особенно в период энергетического кризиса 70-х годов, оживился интерес к углю как сырью для производства бензина, дизельного топлива и некоторых видов химической продукции.

В ряде стран мира (США, ФРГ, Польша, Япония, Англия, Индия и др.) проводятся научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы по усовершенствованию ранее применяемых и созданию новых процессов получения жидкого топлива из углей на основе гидрогенизации, экстракции и газификации углей. Для проверки разрабатываемых процессов ожижения угля построены и строятся лабораторные и опытно-промышленные установки различной производительности.

В США было введено и эксплуатацию несколько установок по ожижению угля методом гидрогенизации.

В ФРГ проблема производства синтетического жидкого топлива решается в двух направлениях: во-первых, на основе переработки угля методом гидрогенизации и, во-вторых, на основе газификации угля с последующим синтезом продуктов из газа. К настоящему времени в ФРГ выполнены исследования но усовершенствованию технологии "ИГ Фарбениндустри”, применяемой в промышленных условиях в 30-40-х годах на заводах Германии. В результате была создана так называемая "новая немецкая технология”, отличающаяся от старой применением более низкого давления (300 атм вместо 700 атм). Эта технология реализована в лабораторном масштабе и на двух построенных установках производительностью 6 т и 200 т каменного угля в сутки. При переработке углей Рурского и Саарского бассейнов степень превращения органической части составляет 95%, а выход легкого и среднего масла равняется 50%. Максимальная продолжительность безостановочной работы установки составила 2000 часов.

В Англии разрабатываются два процесса, технология которых основана на термическом растворении угля. В первом процессе растворение осуществляется антраценовым маслом, а во втором - ароматическими соединениями (толуолом, ксилолом) или фракциями каменноугольной смолы. Для отработки этих процессов построены специальные установки. В результате растворения высококачественного угля в качестве полупродукта получается угольный экстракт, пригодный для использования в качестве сырья для производства углеграфитовых материалов, электродного кокса, пластмасс. Наряду с этим разрабатываются варианты переработки экстракта в моторное топливо на основе метода гидрогенизации.

В Индии работы по получению жидкого топлива из угля ведутся в двух направлениях - полукоксование угля с последующей гидрогенизацией смолы и газификация угля в сочетании с методом Фишера —Тропша.

В Японии разрабатывается несколько технологий ожижения углей, для отработки которых имеются установки производительностью 1 и 3 т в сутки.

В Канаде ведутся научно-исследовательские работы по ожижению углей методом гидрогенизации. Выбор направления переработки объясняется большим выходом жидких продуктов и более высоким термическим к.п.д. по сравнению с другими технологиями.

Исследования в области получения жидкого топлива из углей проводятся в Польше. Для этой цели построены две установки производительностью 120 кг и 1200 кг угля в сутки. Работы по решению проблем были сосредоточены в институте карбохимии, а координацию исследований по всем методам термохимической пере-

работки углей осуществлял специально созданный департамент при Министерстве горного дела.

При этом следует подчеркнуть, что разработанные (разрабатываемые) технологические схемы имеют далеко не одинаковые возможности в части решения поставленной задачи - максимальный переход органической части угля в жидкое топливо с целью организации крупномасштабного производства. Этому критерию наиболее полно отвечают технологические схемы, в основе которых лежит метод гидрогенизации углей. В этом случае в жидкие продукты переходит около 90% угля, что обеспечивает меньший его расход на производство бензина, дизельного топлива и сжиженных газов по сравнению с другими вариантами. Процесс гидрогенизационной переработки. углей имеет и более высокий термический к.п.д. (см. табл. 1.).

Приведенные ниже сведения являются одной из причин того, что гидрогенизация углей рассматривается как наиболее перспективный путь решения проблемы увеличения ресурсов жидкого топлива. На ее основе представляется возможным организовать крупномасштабное производство, соизмеримое с мощностью нефтеперерабатывающих заводов со всеми вытекающими из этого положительными последствиями экономического характера.

Политика большинства стран с развитой угольной промышленностью направлена на то, чтобы планомерно обеспечивать состояние технической готовности к тому моменту, когда замена нефти углем станет либо объективно необходимой с экономических позиций, либо в силу возникновения стратегической ситуации.

Таблица 1

Расход угля на производство 1 т жидкого топлива и к.п.д. процессов его

переработки

Процесс Продукция Расход угля, т КПД

Г идрогенизация угля бензин, дизельное топливо, газ 5,2 0,56

Полукоксование угля и гидрогенизация смолы бензин, дизельное топливо, газ 19,0 0,85

Г азификация и синтез по методу Фишера-Тропша бензин, дизельное топливо, газ 6,8 0,40

Г лубокая переработка нефти моторное топливо, газ 1,2 0,85

Примечание к таблице: При полукоксовании углей, кроме смолы, получается еще полукокс и газ.

В России также практическое значение приобретает проблема увеличения ресурсов жидкого топлива.

Первоочередным сырьем для производства жидкого топлива следует признать канско-ачинские угли, на основе которых представляется возможным построить промышленные предприятия любой мощности с длительным сроком функционирования.

Применительно к этим углям организациями Минэнерго и других ведомств разработана технология производства жидкого топлива и химических продуктов из них, базирующаяся на методе гидрогенизации. Согласно этой технологии гидро-генизационной переработке подвергается смесь, состоящая из 50% тонко измельченного угля и 50% жидких тяжелых остатков собственного производства. В эту смесь добавляют активный катализатор и ингибитор, ускоряющих протекание реакций. В результате этого гидрогенизация осуществляется при относительно низком давлении водорода (10 вместо 30-70МПа в технологиях других стран) с большим переходом органической массы угля в жидкие продукты (85-92%) и малым

расходом водорода (1,5-2,7%). В этом состоят принципиальные преимущества отечественной технологии и по сравнению с технологиями, разработанными в США и Германии.

Технология реализована на опытном заводе СТ-5, построенном при шахте "Бельковская” Подмосковного бассейна. В результате ее эксплуатации установлено, что при переработке углей Канско-Ачин-ского бассейна получаются следующие виды продукции: бензин (23%), дизельное топливо (62%), топливо Т-8а (7%) и другие (8%). На производство 1 т жидких (обезличенных) продуктов расход углей с теплотой сгорания 3 500 ккал/кг составляет примерно 5 т, включая выработку пара и электроэнергии.

Экономическая оценка отечественной технологии производства жидкого топлива из углей

На основе имеющихся экспериментальных данных, полученных на опытном заводе и с привлечением фактических материалов, касающихся производства жидкого топлива из традиционного сырья нефти, выполнена экономическая

оценка отечественной технологической схемы производства бензина, дизельного топлива и других продуктов из углей.

В основу экономической оценки технологии положены материалы различных организаций. Экономическая оценка производства жидкого топлива выполнена для следующих условий:

— промышленное предприятие раз-

мещается в районе добычи сырья, в качестве которого используются бурые угли Березовского месторождения Канско-Ачинского бассейна;

— годовая мощность предприятия по всем видам жидкого топлива принята в размере 4,36 млн т (рекомендована проектными организациями). В этом случае будет вырабатываться следующие виды конкретной продукции (см. табл. 2).

Показатели работы опытного завода

Таблица 2

Вид продукции (выход в тоннах) Объем производства продукции

т %

Бензин 1 000 000 22,9

Дизельное топливо 2715000 62,2

Топливо Т-8в 300 000 6,9

Бензол 61 000 1,4

Толуол 5000 0,2

МТБЭ (метилтретбутиловый эфир) 281 000 6,4

Итого 4 362 000 100,0

В качестве оценочных показателей приняты капвложения и текущие затраты, прибыль, срок окупаемости капиталовложений и уровень рентабельности производства продукции.

При этих условиях перечисленные показатели будут характеризоваться следующими величинами.

Капитальные вложения в непосредственное строительство предприятий

определяются уровнем затрат на сооружение производственных объектов по подготовке сырья (дробление, помол, па-стоприготовление), гидрогенизации пасты, производству водорода, электроэнергии, пара и газа, облагораживанию жидких продуктов с целью доведения их до товарного вида. Капвложения также потребуются на строительство объектов вспомогательного назначения и общезаводского хозяйства.

Таблица 3

Капитальные вложения в производство жидкого топлива из канско-ачинских углей

Мощность 1991 г. «К» В современных условиях

предприятия, млн т руб./т индексации руб./т млн руб.

4,36 1 120 5,497 6157 26714

Эксплуатационные затраты на переработку углей. В эту категорию затрат включена стоимость сырья, катализаторов и энергоносителей, заработная плата, амортизационные отчисления и расходы на ремонт.

Производство жидкого топлива из углей связано с относительно большим расходом технологического сырья для ожижения, в качестве которого принят бурый уголь. Он потребуется и для удовлетворения энергетических нужд предприятия. Общая норма расхода угля составляет 4,7 т на 1 т жидкого топлива.

Процесс производства жидкого топлива связан с применением катализаторов и реагентов. При этом предусматривается, что после прохождения производственного цикла молибденовый катализатор подвергается регенерации (восстановлению), в результате чего примерно 95% его возвращается для повторного использования. Эти затраты учитываются по статье "прочие расходы”.

Переработка углей методом гидрогенизации потребует 1530 кВт.ч электроэнергии и 1,78 Гкал пара. При этом со-

гласно базовому варианту потребность в паре полностью удовлетворяется за счет выработки его на ТЭЦ, входящей в состав предприятия, а в электроэнергии - только на 50%. Остальная часть электроэнергии будет приобретаться на стороне. Затраты на энергоносители, вырабатываемые на предприятии, включены в общую смету расходов по соответствующим элементам: топливо, заработная плата, амортизация и другие.

Расходы на заработную плату рассчитаны исходя из предполагаемой численности трудящихся, среднегодового фонда зарплаты и существующих норм начислений. Численность трудящихся с учетом ТЭЦ и других энергетических объектов составляет 4 621 человек. Нормативы нефтеперерабатывающей промышленности были использованы для расчета затрат на капитальный и текущий ремонты, а также резервный фонд. В сумме они составляют 7,5%.

Годовые эксплуатационные затраты на производство всех видов жидкого топлива с разбивкой их на сырье и расходы по переработке приведены в табл. 4.

Таблица 4

Эксплуатационные затраты и себестоимость производства жидкого топлива из

канско-ачинских углей

Элементы затрат млн руб. руб./т %

Сырье и реагенты 1 027 236 27

Расходы по переработке 2785 639 73

Итого 3812 875 100

между стоимостью реализации продукции по фактическим ценам и эксплутационны-ми затратами на ее производство. Фактические цены на бензин, дизельное топливо, другие продукты приняты по справочно-информационному сборнику. Срок окупаемости капитальных вложений и уровень рентабельности рассчитаны на основе методических подходов, применяемых при решении аналогичных задач в других отраслях промышленности. Результаты оценочных показателей эффективности приведены в табл. 5.

Таблица 5

Эффективность производства жидкого топлива из канско-ачинских углей

Показатели Единица измерения Величина показателей

Объем производства продукции млн т 4,36

Стоимость реализации продукции млн руб. 8305

Эксплуатационные затраты на производство продукции млн руб. 3812

Прибыль млн руб. 4492

Капитальные вложения на строительство предприятия млн руб. 26714

Срок окупаемости капиталовложений год ок. 6

Уровень рентабельности % 17,0

Из данных табл. 5 следует, что предприятие будет работать с прибылью и иметь приемлемые показатели по сроку окупаемости капитальных вложений на строительство промышленных и вспомогательных объектов, а также по уровню рентабельности производства продукции.

Соб. инф.

На основе капитальных вложений и эксплутационных затрат и другой информации определена эффективность производства жидкого топлива из канско-ачинских углей путем переработки их методом гидрогенизации. При решении этой задачи, кроме единовременных и текущих затрат использовались такие показатели, как прибыль, срок окупаемости капитальных вложений и уровень рентабельности производства продукции.

Прибыль определена как разница