Часть 1: Легко ли добыть нефть. Трудно быть Богом. Часть-1
Часть 2: Легко ли добыть нефть. Трудно быть Богом. Часть-2
Для кроме процесса получения синтетической нефти из твердого топлива CTL, существует процесс получения жидких нефтепродуктов из природного газа – GTL (Gas-to-liquid). Как я описал в предыдущей части, наиболее часто для получения синтетической нефти используют процесс, получивший название по фамилиям его авторов. Выдающихся немецких химиков Фишера и Тропша.
Его универсальность заключается в том, что в нем используется синтез-газ: смесь монооксида углерода и водорода. Синтез газ можно получать из чего угодно, в том числе из газа свободных залежей и попутного газа нефтяных месторождений.
Существует два основных способа получения синтез-газа из метана и его газообразных гомологов:
1. Паровая конверсия метана. Реакция взаимодействия метана с водяным паром проводится в присутствии никелевых катализаторов (Ni-Al2O3) при повышенных температурах (800-900С) и давлении: CH4 + H2O =CO + 3H2
В качестве сырья вместо метана может быть использовано любое углеводородное сырье.
2. Парциальное окисление углеводородов. Процесс заключается в неполном термическом окислении углеводородов при температурах выше 1300С:
CnH2n + 2 + 1/2nO2 = nCO + (n + 1)H2
Существует и третий способ – углекислотная конверсия, но на практике же используется только первый способ – паровой конверсии.
После того, как получили синтез-газ из газа или любого другого углеводородного/углеродного сырья, можно приступать к получению жидких углеводородов.
Первые опыты по разработке синтетической нефти проводили немецкие ученые Франц Фишер и Ганс Тропш в 1919 году. Они обнаружили, что в присутствии некоторых металлов синтез-газ реагирует, образуя углеводороды. Они поняли, что это путь к альтернативному топливу. Уже в 1928 году у них действовала опытная установка. Как и для любой серьезной технологии, было недостаточно осуществить реализацию одной главной реакции. Фишер и Тропш организовали получение синтез-газа из угля, очистку этого газа и проведение реакции синтеза жидких углеводородов.
В качестве носителя, то есть твердой фазы, которая несет активный компонент, выступал кизельгур, добывавшийся в горах Южной Германии. Кизельгур — это естественная пористая глина. Его пропитывали солями кобальта из Саксонии, а также солями тория. О том, что радиоактивность тория — это проблема, тогда никто не знал.
Катализатор Фишера — Тропша производил очень сложный продукт. Заводы первого поколения кроме полезного эрзац-бензина производили еще 72 побочных продукта: мыло, стиральный порошок, химические реактивы, растворители, органические кислоты, тяжелые спирты и другое промежуточное сырье для химической промышленности. Надо сказать, что в ходе разработки первого поколения GTL Фишер и Тропш придумали и большую часть конструктивных принципов известных ныне реакторов.
После поражения Германии во Второй мировой войне большая часть специалистов по производству немецкого эрзац-топлива переехала в Южно-Африканский Союз, позднее ставший Южно-Африканской Республикой. Ситуация там была похожа на немецкую: богатые запасы угля и отсутствие собственных месторождений нефти. Для обеспечения экономической безопасности в условиях сложных отношений страны с внешним миром из-за проводимой политики Апартеида, была реализована программа исследований и строительства заводов по производству синтетического топлива. Так появилась компания Sasol, которая и сегодня является крупнейшим игроком на рынке GTL и CTL (coal-to-liquid — «уголь в жидкость»).
Таким образом, и второе поколение технологии Фишера — Тропша тоже развивалось не по экономическим, а по политическим соображениям, хотя сама технология существенно продвинулась вперед.
Ученые в ЮАР стали использовать литой железный катализатор и сложные реакторы с кипящим слоем. Через катализатор пропускали мощный поток синтез-газа снизу вверх, и катализатор кипел в этой многофазной среде. При этом хорошо решалась проблема отвода тепла, которая для реакции Фишера — Тропша появлялась при росте производительности процесса. С другой стороны, нужно было решать проблему отделения полезного продукта. В целом второе поколение технологии давало меньше побочных продуктов, но экономического смысла в его применении все еще было немного.
В октябре 1973 года ОПЕК отказалась поставлять нефть странам, поддерживающим Израиль. Цены на нефть выросли, а в Европе и США возник острый дефицит топлива. Ситуация быстро нормализовалась, но для западных стран остро встал вопрос национальной топливной безопасности. Одним из вариантов решения было производство синтетической нефти.
Развитием технологии нового поколения занялись крупнейшие нефтяные компании: Exxon, Mobil, Conoco, Chevron, British Petroleum, Total, Statoil, Shell. В качестве сырья использовался природный газ, так как процесс газопереработки был проще и чище, а цены на сырье — низкими.
Новая технология получила название GTL третьего поколения. В третьем поколении вновь использовался кобальтовый катализатор, который у Фишера и Тропша производил множество побочных продуктов. Химики в 1960–1970-е годы работали над повышением селективности, чтобы получать меньше отходящих газов и побочных продуктов. В итоге они обнаружили, что лучший результат получается, если предельно увеличить число полимеризации. Когда молекулы углеводородов растут на активных центрах, то чем больше число полимеризации, тем длиннее молекулы углеводородов. Основным продуктом на выходе реактора Фишера — Тропша третьего поколения является высокоплавкая масса — воски, а также побочные продукты. Побочных продуктов было гораздо меньше, чем в случае первого и второго поколения, но все же было больше десятка.
Разработка четвертого поколения этой технологии связана с маленьким Катаром. Катар является одним из крупнейших в мире производителей сжиженного природного газа. Чтобы получить еще один способ экспортировать газ, катарские заводы стали делать из газа нефть и экспортировать ее как нефтепродукты.
Поэтому стала разрабатываться технология четвертого поколения. Ее основная задача — уменьшить минимальный окупаемый размер производства синтетического топлива, получить возможность строить небольшие заводы и работать в удаленных точках без большого количества персонала и производства побочных продуктов.
В настоящее время удалось создать катализатор, представляющий собой композитные гранулы из активного металла, который живет в многокомпонентном композите. Гранулы катализатора дают продукт в виде легкой синтетической нефти с четырехкратной производительностью. Они производят синтетическую нефть без каких-либо побочных продуктов и не требуют дополнительных процессов переработки восков.
Как видим, процесс производства нефти и нефтепродуктов из других твердых и газообразных углеродов/углеводородов вполне возможен. Только сложен и дорог, обладает гораздо меньшим EROEI, и в обозримом будущем не станет заменой природной нефти. Возникает резонный вопрос – а почему же процессы по его созданию не останавливаются? Есть ряд причин:
1) Геополитические - Китай, Индия, Израиль, ЮАР, Австралия — эти страны, богатые запасами угля или газа, не имеют существенных запасов нефти и вынуждены зависеть от экспорта. Технология получения синтетического топлива решает эту задачу.
2. Географические - Газ Ямала, Сахалина, Аляски, Катара, Ирана, Туркмении, Австралии преодолевает большие расстояния, чтобы добраться до потребителя. Гигантские трубопроводы, газоперекачивающие станции, терминалы по сжижению газа и флот танкеров-газовозов — все это чрезвычайно дорогая инфраструктура. Для многих проектов транспортная составляющая может сделать весь проект разработки месторождения нерентабельным. Получение из газа синтетической нефти во многих случаях может решить эту проблему. Энергия в удобной для потребителя жидкой упаковке ценится в несколько раз выше, чем энергия в виде газа: жидкое топливо удобнее и дешевле хранить, транспортировать, распределять. Хотя далеко не факт, что это выйдет ещё дороже
3. Решение проблемы попутного газа – я уже писал, почему сжигают попутный газ в огромных количествах, до 140 миллиардов кубических метров газа в год. Благодаря технологии GTL из попутного газа можно получить нефть, которая отлично смешивается с добытой минеральной нефтью и транспортируется с помощью уже существующих нефтепроводов. Также увеличивается суммарный дебет месторождения в зависимости от количества попутного газа, и улучшаются экономические показатели добычи.
4. Технологические и экономические. Синтетическая нефть относится к категории чистых бессернистых топлив. Она является жидкостью, в отличии от природной нефти, которая является коллоидной системой. В синтетической нефти гораздо меньше примесей, усложняющих процесс ее переработки. Синтетическое топливо, полностью свободное от примесей, при сжигании в двигателе дает только углекислый газ и пар. Такое топливо полностью совместимо со всеми существующими дизельными и бензиновыми двигателями, а также с инфраструктурой транспортировки и распределения на бензозаправках.
