Синтетическое топливо, их классификация и отличительные особенности; энергетическое топливо из горючих отходов и биомассы.
Синтетическое топливо — углеводородное топливо которое отличается от обычного топлива процессом производства, то есть получаемое путем переработки исходного материала, который до переработки имеет неподходящие для потребителя характеристики.
Как правило этот термин относится к жидкому топливу полученному из твердого топлива (угля, опилок, сланцев) либо из газообразного топлива. Такие процессы, как например процесс Фишера — Тропша, использовались государствами не имеющими доступа к жидкому топливу.
По физико-химическим свойствам полученная жидкая углеводородная смесь является близкой к нефти.
Дальнейшая переработка жидкого бурого угля осуществляется в условиях, аналогичных процессам переработки нефти.
Содержание минеральных веществ в буром угле превышает их содержание в нефтяном сырье. При переработке бурого угля в синтетическое жидкое топливо необходимо применение совершенных процессов фракционирования и разделения углеводородной и минеральной составляющих.
На второй стадии осуществляется очистка жидкого бурого угля от механических примесей, взвешенных частиц, солей, серы и других компонентов, подлежащих удалению.
Третья стадия — углубленная переработка жидкого бурого угля в синтетическое жидкое топливо.
Впервые синтетическое топливо из угля появилось в Германии — в 1911 г. немецкий химик Ф.Бергиус получил из угля бензин. Дело в том, что в Германии не было собственных месторождений нефти, а потребность в топливе возрастала. Зато были одни из самых больших в Европе залежей бурого угля, что и подвигло на проведение исследований с целью получения топлива именно из этого ископаемого. Проблема была успешно решена усилиями немецких химиков, и уже к 1941 г. Германия вырабатывала до 4 млн т жидкого топлива в год.
В начале 70-х годов в ЮАР была создана группа заводов «Сасол» по переработке угля в синтетическое жидкое топливо, что позволило с меньшими потерями пережить эмбарго на поставки нефтепродуктов. Сегодня компания «Сасол» перерабатывает около 47 млн т угля в год, производя около 7 млн т жидкого топлива и имея годовую прибыль в сотни миллионов долларов. Именно этой южноафриканской компании приписывают наивысшие показатели с точки зрения уровня технологии и освоения масштабов производства.
После ЮАР наиболее масштабно и высокотехнологично синтезировать моторное топливо начали в США. Восемь проектов на различных стадиях реализации осуществляются в Китае, и все они предназначены для полной замены традиционных видов топлива. В целом в Нигерии, Катаре, Малайзии и США на стадии проектирования и строительства находятся около 50 объектов суммарной мощностью более 300 млн т топлива в год. К проблеме подключились Япония, Индия, Польша, Индонезия, Пакистан. Общий объем официально объявленных инвестиций в эту сферу превысил $15 млрд, а производство синтетического топлива достигло 20 млн т в год.
Технология получения эмульсионного топлива включает следующие основные стадии: ожижение бурого угля, стабилизацию эмульсионной системы и очистку эмульсионной системы от механических примесей и взвешенных частиц.
На первой стадии осуществляется процесс ожижения бурого угля.
Вторая стадия — стабилизация эмульсионной системы в кавитационном реакторе.
На третьей стадии осуществляется очистка эмульсионной системы от механических примесей и взвешенных частиц. Очистка осуществляется оригинальным, не имеющим аналогов, способом — термо-гравитационной очисткой.
Установка термо-гравитационной очистки эмульсионной системы не имеет вращающихся, изнашиваемых частей и фильтров, отличается низкими энергетическими затратами и эксплуатационными расходами.
Полученная эмульсия имеет все необходимые регламентированные физико-химические свойства. К таким свойствам относятся: стабильность топливной системы в течение длительного времени, технологически приемлемые значения реологических параметров — низкая вязкость, низкие значения пределов текучести, отсутствие выраженных тиксотропных свойств, предельная однородность каогуляционных структур.
Эмульсия отвечает основному требованию, которое предъявляется к эмульсионным топливам, — в эмульсии содержится высокая концентрация горючей основы, достаточной для обеспечения высокой калорийности топлива.
Применение эмульсионного топлива повышает экономичность энергоустановок как за счет снижения недожига, так и вследствие уменьшения загрязнения рабочих поверхностей нагрева в котлах. Снижение недожига обусловлено тем, что вода в зоне горения в виде перегретого пара способствует более тонкому распылению углеводородной основы. Это приводит к практически полному (99.7%) ее выгоранию и, как следствие, к существенному снижению в отходящих газах сажи, бензопирена и вторичных углеводородов.
Эмульсионное топливо является экологически чистым видом альтернативного жидкого топлива также и потому, что помимо уменьшения в отходящих газах перечисленных выше вредных выбросов, при его горении существенно снижается концентрация оксидов азота и серы.
Кроме этого, при сжигании эмульсионного топлива существенно снижается нагар внутри топочных камер, на поверхности форсунок, а также отложения в котлоагрегатах. Изменение механизма горения топливных эмульсий приводит не только к увеличению их экологичности. Установленным фактом является повышение общего КПД котла на 3-5%, а также существенная экономия энергоресурсов.
Основные технологические процессы новой технологии исследованы и испытаны на пилотных установках.
Однако до сегодняшнего дня проблема не рассматривалась в контексте реального перевода ее из исследовательской стадии в производственную.
Во многих странах мира проводятся научно-исследовательские и опытные работы с целью создания новой технологии производства моторного топлива, газа и сырья для химической промышленности. Основа такой технологии — уголь, горючие сланцы и нефтеносные пески, запасы которых намного превышают запасы нефти.
Синтетическое жидкое топливо и газ из твердых горючих ископаемых производят сейчас в ограниченном масштабе. Дальнейшее расширение производства синтетического топлива сдерживается его высокой стоимостью, значительно превышающей стоимость топлива на основе нефти.
Поэтому сейчас интенсивно ведется поиск новых экономичных технических решений в области синтетического топлива. Поиск направлен на упрощение известных процессов,
в частности, на снижение давления при ожижении угля с 300—700 атмосфер до 100 атмосфер и ниже, увеличение производительности газогенераторов для переработки угля и горючих сланцев и также разработку новых катализаторов синтеза метанола и бензина на его основе.
Промышленность на многие годы обеспечена запасами нефти для производства моторного топлива и других целей. Тем не менее в целях экономии ценнейшего сырья у нас разрабатывается технология производства синтетического топлива. Сейчас, в частности, осваивается новая технология переработки горючих сланцев методами газификации и высокоскоростного пиролиза. Единичная мощность агрегатов—1000—3000 тонн сланца в сутки. Для сравнения: производительность уже действующих равна 200— 300 тоннам в сутки.
Использование на электростанциях угля непосредственно в виде топлива выдвигает проблему производства газа из угля. Дело в том, что его сжигание приводит к загрязнению окружающей среды. Предварительная газификация угля и сжигание очищенного газа на электростанции позволяют не только защитить окружающую среду от вредных выбросов золы, сернистых и азотистых соединений, но также существенно снизить расход металла и затраты на создание предприятия.
В настоящее время проектируется энергетический блок мощностью 250 мегаватт, в составе которого предусмотрена предварительная газификация угля. Мелкозернистый уголь будет перерабатываться под давлением до 20 атмосфер в кипящем слое. Применение техники кипящего слоя позволяет значительно интенсифицировать газификацию и создавать агрегаты с большой единичной мощностью.
Многочисленные оценки экспертов свидетельствуют о высокой стоимости предприятий по получению синтетического топлива. Однако, используя дешевый уголь, добываемый открытым способом, в перспективе можно создать экономичное производство. Для этого требуются интенсивные разработки всех стадий производства (подготовка топлива, переработка, очистка продуктов и пр.).
Необходимо подчеркнуть важность организации международного сотрудничества по проблеме синтетического топлива, включающего откровенный обмен информацией. Примером может служить деятельность Координационного центра — «Новые методы утилизации углей». Центр объединяет усилия стран — членов СЭВ, организует кооперацию и международное разделение труда, содействуя ускорению решения задачи.
Проблема организации производства синтетического топлива носит глобальный характер. В ее решении заинтересованы многие страны мира. Объединение их усилий в этом направлении позволит ускорить решение проблемы, будет способствовать экономии нефтегазового сырья и более рациональному использованию топливно-энергетических ресурсов мира.
Нетрадиционная нефть
Природные битумы — это составная часть горючих ископаемых. Битумы содержат значительно больше водорода чем уголь и поэтому производство жидкого топлива из битума может быть гораздо проще и может стоить существенно меньше чем производство жидкого топлива методом Фишера — Тропша. Горючий сланец это полезное ископаемое из группы твёрдых каустобиолитов, дающее при сухой перегонке значительное количество смолы (близкой по составу к нефти). Битуминозные пески Ориноко (нефтеносные пески Ориноко) являются депозитами нетрадиционной нефти в виде горючих сланцев в районе реки Ориноко в Венесуэле, которая течет к венесуэльско-бразильской границе и впадает в Атлантический океан. Битуминозные
пески Ориноко считаются одним из двух крупнейших месторождений нетрадиционной нефти (второе, Битуминозные пески Атабаски, расположенно в Канаде).
Спирты
В последнее время растет роль спиртов, как топлива (метанол — в топливных элементах, этанол и смеси с ним — в двигателях внутреннего сгорания).
Этанол
Этанол может использоваться как топливо, в т. ч. для ракетных двигателей, двигателей внутреннего сгорания в чистом виде. Ограничено в силу своей гигроскопичности (отслаивается) используется в смеси с классическими нефтяными жидкими топливами. Применяется для выработки высококачественного топлива и компонента бензинов — Этил-трет-бутилового эфира, более независимого от ископаемой органики, чем МТБЭ.
Лидером в использовании биотоплива является Бразилия, обеспечивающая 40 % своих потребностей в топливе за счёт спирта, благодаря высоким урожаям сахарного тростника и низкой стоимости рабочей силы. Биотопливо формально не приводит к выбросам парникового газа: в атмосферу возвращается углекислый газ (CO2), изъятый из неё в ходе фотосинтеза.
Однако резкий рост производства биотоплива требует больших территорий для посева растений. Эти территории или расчищаются путём сжигания лесов (что приводит к огромным выбросам углекислого газа в атмосферу), или за счёт фуражных и пищевых культур (что приводит к росту цен на продовольствие).
Кроме того, выращивание сельскохозяйственных культур требует больших затрат энергии. Для многих культур EROEI (отношение полученной к потраченной энергии) лишь немного превышает единицу или даже ниже её. Так, у кукурузы EROEI составляет всего 1,5. Вопреки распространённому мнению, это верно не для всех культур: так, у сахарного тростника коэффициент EROEI составляет 8, у пальмового масла 9.
Ежегодно на нашей планете образуется около 200 млрд т растительной целлюлозосодержащей биомассы. Биосинтез целлюлозы — самый крупномасштабный синтез в прошлом, настоящем и по крайней мере в ближайшем будущем. Но в связи с увеличивающимися потребностями человечества в ресурсах нельзя точно утверждать, что синтез целлюлозы будет самым масштабным и в будущем, например и через 50 лет. Для сравнения производство стали во всем мире на 2009 год составило 1,3 млрд т, а мировая добыча нефти на 2006 год составляла 3,8 млрд т в год.
По ориентировочным оценкам мировые разведанные запасы нефти примерно равны запасам древесины на нашей планете, однако ресурсы нефти быстро истощаются, в то время как в результате естественного прироста запасы древесины увеличиваются. Значительным резервом повышения ресурсов древесного сырья является увеличение выхода целевых продуктов из древесины. Переработка биомассы растительного сырья базируется в основном на сочетании химических и биохимических процессов. Гидролиз растительного сырья — наиболее перспективный метод химической переработки древесины, так как в сочетании с биотехнологическими процессами позволяет получать мономеры и синтетические смолы, топливо для двигателей внутреннего сгорания и разнообразные продукты для технических целей.
Общее производство биотоплива (биоэтанола и биодизеля) в 2005 году составило около 40 млрд л.
В марте 2007 года японские учёные предложили производить биотопливо из морских водорослей.
По мнению некоторых учёных, массовое использование двигателей на этаноле (не путать с биодизелем) увеличит концентрацию озона в атмосфере, что может привести к росту числа респираторных заболеваний и астмы.
Метанол
Низкий уровень примесей метанола может быть использован в топливе существующих транспортных средств с использованием надлежащих ингибиторов коррозии. Т. н. европейская директива качества топлива (European Fuel Quality Directive) позволяет использовать до 3 % метанола с равным количеством присадок в бензине, продаваемoм в Европе. Сегодня в Китае используется более 1000 миллионов галлонов метанола в год в качестве транспортного топлива в смесях низкого уровня, используемых в существующих транспортных средств, а также высокоуровневые смеси в транспортных средства, предназначенных для использование метанола в качестве топлива. Помимо применения метанола в качестве альтернативы бензина существует технология применения метанола для создания на его базе угольной суспензии, которая в США имеет коммерческое наименование «метакол» (methacoal). Такое топливо предлагается как альтернатива мазута широко используемого для отопления зданий (Топочный мазут). Такая суспензия в отличие от водоуглеродного топлива не требует специальных котлов и имеет более высокую энергоемкость. С экологической точки зрения такое топливо имеет меньший «углеродный след», чем традиционные варианты синтетического топлива получаемого из угля с использованием процессов, где часть угля сжигается во время производства жидкого топлива.
Бутиловый спирт
Может, но не обязательно должен, смешиваться с традиционными топливами. Энергия бутанола близка к энергии бензина. Бутанол может использоваться в топливных элементах, как сырьё для производства водорода.
В 2007 году в Великобритании начались продажи биобутанола в качестве добавки к бензину.
Твердое и газообразное топливо
В некоторых странах третьего мира дрова и древесный уголь сих пор являются основным топливом доступным населению для отопления и готовки пищи (так живет около половины мирового населения). Это во многих случаях приводит к вырубке лесомассивов, что в свою очередь приводит к опустыниванию и эрозии почвы. Одним из способов уменьшения зависимости населения от источников древесины предлагается внедрение технологии брикетирования отходов сельского хозяйства или бытового мусора в топливные брикеты. Такие брикеты получают прессованием кашицы полученной смешиванием отходов с водой на несложном рычажном прессе с последующей сушкой. Такая технология однако очень трудоемка и предполагает наличие источника дешевой рабочей силы. Менее примитивным вариантом получения брикетов является использование для этого гидравлических прессовальных машин.
Некоторые газообразные топлива можно считать вариантами синтетического топлива, хотя такое определение может быть спорно поскольку двигатели используещие такое топливо нуждаются в серьезной модификации. Одним из широко обсуждаемых
вариантов уменьшения вклада автотранспортных средств в накопление углекислоты в атмосфере считается использование водорода в качестве топлива. Водородные двигатели не загрязняют окружающей среды и выделяют только водяной пар. В водородно-кислородных топливных элементах используется водород для непосредственного преобразования энергии химической реакции в электрическую. Поскольку водород необходимо получать с использованием либо электроэнергии либо окислением других углеводородных топлив, то экологические и тем более экономические преимущества такого топлива весьма спорны.
Диметиловый эфир
Диметиловый эфир получ. дегидратацией метанола при 300—400 °C и 2-3 МПа в присутствии гетерогенных катализаторов — алюмосиликатов — степень превращения метанола в диметиловый эфир — 60 % или цеолитов — селективность процесса близка к 100 %.Диметиловый эфир — экологически чистое топливо без содержания серы, содержание оксидов азота в выхлопных газах на 90 % меньше, чем у бензина. Цетановое число диметилового дизеля более 55, при том что у классического нефтяного 38-53. Применение диметилового эфира не требует специальных фильтров, но необходима переделка систем питания (установка газобалонного оборудования, корректировка смесеобразования) и зажигания двигателя. Без переделки возможно применение на автомобилях с LPG-двигателями при 30 % содержании в топливе.
Теплота сгорания ДМЭ около 30 МДж/кг, у классических нефтяных топлив — около 42 МДж/кг. Одна из особенностей применения ДМЭ — его более высокая окисляющая способность (благодаря содержанию кислорода), чем у классического топлива.
Ташкентский Архитектурно-Строительный Институт
Факультет Инфраструктуры Инженерного Сервиса
Кафедра: «Строительство и эксплуатация инженерных коммуникаций»
Самостоятельная работа
На тему: «Синтетическое топливо, их классификация и отличительные особенности»
Выполнила:
гр-па 4а-08 ПИК
Принял: Нурманов С. Р
Ташкент 2011 г.