Легко ли добыть нефть. Трудно быть Богом. Часть-2⁠⁠

Часть 1: Легко ли добыть нефть. Трудно быть Богом. Часть-1

Прошлая часть закончилась тем, что я написал, как можно заменить жидкое углеводородное топливо из угля (а также другого твердого топлива) и газа.

Начну с первой технологии CTL - Coal to liquids - Уголь в жидкость.

Вообще получать углеводородную жидкость из твердого сырья люди научились давно. В 1596 г. впервые были переработаны горючие сланцы (из них стали получать ихтиол). Произошло это в местечке Зеефильд, располагающемся на территории современной Австрии.

Первый патент на получение «нефти» из сланца был выдан британской короной в 1694 году для трех человек, которые "нашли способ извлечь и сделать большое количество смолы, из какой-то горючего камня " Слово petroleum ("каменное масло") означало раньше сланцевую смолу, и лишь впоследствии так стали называть нефть.

Но пришел век угля, поэтому сланец использовали в небольших количествах. В первом десятилетии ХХ века добыча горючего сланца достигала в 1910 году 3 млн. тонн, и большая часть его шла просто на отопление. В период первой мировой войны, в связи с нехваткой жидкого топлива, во многих странах Европы в качестве сырья для получения синтетических моторных топлив вновь стали рассматривать горючие сланцы.

Но даже богатые нефтью страны в то время имели неразвитые технологии нефтедобычи, поэтому считалось, что они, в отличии от угля и сланца, истощатся буквально в течение десятилетия. В 1926 году правительство США создало Федеральный совет по сохранению запасов нефти, и выводы совета оказались неутешительными. "Общие наличные ресурсы в насосных и фонтанирующих скважинах,– говорилось в его докладе,– составляют около 4,5 млрд баррелей, которых теоретически хватит всего лишь на шесть лет". Естественно, цены на нефть, составлявшие в 1925 году $1,68 за баррель, в 1926-м преодолели психологически важный рубеж и достигли $1,88. Больше всех проблемой обеспокоилось руководство Standard Oil, которая с начала 1920-х годов безуспешно билась над созданием заменителя нефти из горючих сланцев.

Но особых успехов она не добилась, в отличии от Германии, которая практически не имеет собственной нефти, и успехи немецких ученых в этой сфере оказались действительно выдающимися. В 1913 году немецкий химик Фридрих Бергиус разработал процесс гидрогенизации угля, в ходе которого под действием высокого давления из каменного угля получался жидкий углеводород – фактический заменитель нефти.

В 1926 немецкие химики Фишер и Тропш патентуют свой процесс ("F-T-process"). В отличии от процесса гидрогенизации Бергиуса он оказался гораздо проще в технической реализации, кроме того, для него не требовался чистый водород. Именно этот CTL процесс является основой большинства современных технологий производства синтетической нефти из твердого сырья.

Суть метода заключалась в следующем: уголь без доступа воздуха и при высокой температуре разлагается на угарный газ и водород. В результате образуется т. н. синтез-газ. Он и является основой будущих синтетических нефтепродуктов. При чем его получают не только из угля, но и другого твердого (и не только) топлива

Далее в присутствии катализатора из этих двух газов синтезируется мазут, соляр, бензин, пропан и другие углеводороды. Товарные продукты конденсируются в охладителях, лёгкие фракции типа бутана, пропана и метана сжигаются в печи . Тепло, выделяемое при сжигании и идёт на создание температуры для разложения угля. В качестве катализаторов используется железо или кобальт. Условиями проведения процесса являются: давление от 1 атм (для кобальтовых катализаторов) до 30 атм (для катализаторов на основе железа), температура 190—240 °C (низкотемпературный вариант, для кобальтового и железного катализаторов) или 320—350 °C (высокотемпературный вариант, для железного катализатора).

Подробнее о нем я напишу в следующей части, кому интересно: http://www.icho39.chem.msu.ru/rus/jvho/2000-1/43.pdf

Также в Германии был разработан третий способ получения жидких углеводородов из твердого сырья – карбонизация. Суть его основана на том, что разное сырье содержит разное количество углерода. Например, антрацит практически полностью состоит из него, коксующийся уголь – на 80-85%, бурый не более 70, а горючий сланец и того меньше. Другую часть составляют различные примеси, т. н. «летучие вещества» и несгораемый зольный остаток. При нагреве коксового угля, бурого, сланца сначала выделяется жидкость – каменноугольная смола, а также коксовый газ.

Твёрдый остаток коксующегося угля при этом будет почти что 100% углеродом (за это его очень любят металлурги), в коксовый газ в виде сероводорода и оксида серы соберётся вся сера (поэтому коксохимы так неприятно воняют), а вот в каменноугольную смолу стекут почти все углеводороды, которые до этого были "заперты" в угле.

Поэтому для производства жидкого топлива использовали либо отходы коксового производства, либо целенаправленно проводили пиролиз угля для получения каменноугольной смолы. Карбонизация бывает двух видов: высокотемпературная (при температуре свыше 600 °C) и низкотемпературная, при котором целенаправленно добывалась каменноугольная смола, которая затем опять-таки перерабатывалась в жидкое топливо путем возгонки.

К 1 сентября 1939 года Германии имелось 7 заводов работающих по методу гидрогенизации, 7 заводов работающих по методу Фишера-Тропша и еще несколько заводов работающих по методу получения бензина из каменноугольной смолы, остающейся после коксования угля.

Месячная выработка синтетического топлива на всех этих заводах достигала 120 000 тонн. В 1941 году заводы по производству синтетического топлива произвели 4,1 миллиона тонн топлива и нефтепродуктов в год при общей выработке нефтепродуктов в 12 миллионов тонн. В последующие годы выработка синтетического топлива продолжала увеличиваться.
Видно, что из года в год производство синтетического топлива (Synthetic production) неуклонно возрастало от 1,6 миллиона тонн в 1938 году до 5,7 миллионов тонн в 1944 году.

Само собой, строительство заводов сопряжено с огромными расходами.

Подсчитано, что для строительства 12 заводов синтетического топлива было израсходовано 4,6 миллиарда рейхсмарок (сумма по тем временам астрономическая), израсходовано 2,4 миллиона тонн стали и 7,6 миллионов человеко часов. Действительные же немецкие затраты были больше, поскольку к концу войны немцами было построено всего 18 заводов по гидрогенизации и 9 заводов, работавших по методу Фишера-Тропша. Для производства синтетического топлива немцами было израсходовано 10 миллионов тонн каменного угля (что составило 4 процента от общей добычи каменного угля) и 50 миллионов бурого угля (20 процентов от общей добычи). В среднем на производство 1 тонны топлива расходовалось 4 тонны каменного угля или от 8 до 10 тонн бурого угля.

Несмотря на миллионные количественные показатели, на заводах по производству синтетического топлива работало относительно небольшое количество рабочих. Так в июле 1943 года их число составило всего 95 000 человек.

Данные за первый квартал 1944 года — это фактически пик немецкого производства, поскольку в данный период (в первый квартал 1944 года) объекты нефтепереработки и заводы по производству синтетического горючего почти не подвергались бомбардировкам.

Единственной страной, начавшей производство синтетического бензина после второй мировой войны, стала ЮАР, попавшая в экономическую блокаду из-за политики апартеида. Компания Steenkolen end Olie наладила производство по методу Фишера–Тропша, и в 1980-х годах ее продукция покрывала половину потребности страны.

Разработка технологий, позволяющих обходиться без нефти, тем не менее, не прекращалась ни в США, ни в других странах. Но возвращение к массовому производству синтетического горючего произойдет лишь тогда, когда нефть окажется такой же недоступной и дорогой, какой она была для Германии времен мировых войн.