Бензин из угля, способы получения топлива

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Способ прямого сжижения угля, включающий в себя следующие стадии:
(1) приготовление угольной суспензии из сырого угля и катализатора;

(2) перемешивание угольной суспензии с водородом и предварительную обработку смеси, с последующей ее подачей в реакционную систему для проведения реакции сжижения;

(3) разделение отведенных из реактора продуктов реакции в сепараторе (9, 10) с образованием жидкой фазы и газовой фазы, при этом жидкую фазу подвергают фракционированию в ректификационной колонне (11) с атмосферным давлением с получением продукта в виде фракции дизельного топлива и остаточного продукта;

(4) подачу остаточного продукта, полученного в колонне с атмосферным давлением, в вакуумную ректификационную колонну (12) для разделения на дистиллят и остаток;

(5) смешивание фракции дизельного топлива и дистиллята с образованием смеси и последующую подачу смеси в реактор (13) гидрообработки с псевдоожиженным слоем и принудительной циркуляцией для проведения процесса гидрогенизации;

(6) фракционирование продуктов гидрогенизации на нефтяные продукты и водорододонорный растворитель, рециркулируемый на стадию (1).

2. Способ по п.1, в котором стадия (1) включает следующие операции:

(а) превращение сырого угля в угольный порошок с заданным размером частиц после сушки и измельчения сырого угля в аппарате предварительной обработки; (b) обработку исходного сырья (3) для катализатора и угольного порошка в аппарате (4) для приготовления катализатора с получением ультратонкого порошка катализатора сжижения угля; (с) перемешивание в аппарате (5) для приготовления суспензии катализатора сжижения угля и порошка угля с водорододонорным растворителем (16) с образованием угольной суспензии.

3. Способ по п.1, в котором стадия реакции сжижения угля включает в себя следующие операции:

(а) подачу суспензии угля после ее перемешивания с водородом (6) и предварительного нагрева в первый реактор (7) с псевдоожиженным слоем и принудительной циркуляцией для проведения реакции сжижения с получением выходящих из реактора продуктов реакции; (b) подачу продуктов реакции, выходящих из первого реактора (7) с псевдоожиженным слоем, после их смешивания с водородом во второй реактор (8) с псевдоожиженным слоем и принудительной циркуляцией для продолжения реакции сжижения, при этом указанные реакторы с псевдоожиженным слоем функционируют при следующих условиях проведения реакции: температура реакции 430-465°С; давление реакции 15-19 МПа; соотношение количеств газа и жидкости 600-1000 нл/кг; объемная скорость суспензии угля 0,7-1,0 т/м3 ч; степень добавления катализатора Fe/сухой уголь = 0,5-1,0 мас.%.

4. Способ по п.1, в котором стадия (3) включает в себя следующие операции:

(a) подачу потока продуктов реакции в высокотемпературный сепаратор (9) для разделения на газовую фазу и жидкую фазу, при этом температуру в высокотемпературном сепараторе поддерживают на уровне 420°С;

(b) подачу газовой фазы из высокотемпературного сепаратора (9) в низкотемпературный сепаратор (10) для дальнейшего разделения на газ и жидкость, при этом температуру в низкотемпературном сепараторе поддерживают на уровне комнатной температуры.

5. Способ по п.2, в котором в качестве катализатора сжижения используют -FeOOH, частицы которого имеют диаметр 20-30 нм и длину 100-180 нм, причем катализатор содержит серу при молярном отношении S/Fe=2.

6. Способ по п.1, в котором гидрогенизацию на стадии (5) проводят при следующих условиях: температура реакции 330-390°С; давление реакции 10-15 МПа; соотношение количеств газа и жидкости 600-1000 нл/кг; объемная скорость 0,8-2,5 ч-1 .

7. Способ по п.1, в котором рециркулирующий водорододонорный растворитель представляет собой гидрогенизированный сжиженный нефтепродукт с температурой кипения в интервале 220-450°С.

8. Способ по п.1, в котором остаток в вакуумной ректификационной колонне (12) характеризуется содержанием твердой фазы 50-55 мас.%.

9. Способ по п.1, в котором смесь фракции дизельного топлива, выходящего из колонны с атмосферным давлением, и дистиллята из вакуумной колонны имеет температуру кипения C 5 в интервале 530°С.

10. Способ по п.1, в котором реактор (13) гидрообработки с псевдоожиженным слоем и принудительной циркуляцией представляет собой реактор с внутрикорпусным оборудованием, при этом вблизи днища реактора установлен циркуляционный насос, а катализатор в реакторе может быть заменен в процессе функционирования.

Синтетическое топливо и синтетическая нефть, новая технология получения.

Синтетическое топливо и синтетическая нефть могут быть получены из бурого и каменного угля с помощью проточно-кавитационных реакторов. Данная технология получения отличается высокой рентабельностью даже при малых объемах производства, экологической чистотой, отсутствием вредных выбросов и низкой себестоимостью получаемого синтетического топлива.

Производство cинтетического топлива

Преимущества cинтетического топлива

Синтетическое топливо — углеводородное топливо, которое отличается от обычного топлива процессом производства, то есть, получаемое путём переработки исходного материала, который до переработки имеет неподходящие для потребителя характеристики.

Синтетическое топливо и синтетическая нефть могут быть получены из бурого и каменного угля. При этом идея производства жидкого моторного топлива из угля не нова. Еще в прошлом веке была изобретена технология превращения угля в синтез-газ, а затем синтеза нефтепродуктов под давлением на основе так называемого процесса Фишера—Тропша. Другой путь — технология прямого сжижения угля, разработанная в начале XX века немецким химиком Бергиусом. Но широкого распространения эти традиционные технологии не получили из-за дороговизны и громоздкости оборудования. В основном, такие процессы использовались государствами, не имеющими доступа к традиционному жидкому топливу – нефти.

В промышленности могут применяться специальные поверхностно-активные вещества (ПАВ), которые могут использоваться, например, для производства синтетических полимеров или изготовления эмульсий. Купить ПАВ вы можете у производителя.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Способ сжигания угля, включающий его сушку, размалывание до мелкодисперсного состояния, смешивание размолотого угля с направленным кислородсодержащим газовым потоком и сжигание, отличающийся тем, что размолотый уголь нагревают до температуры полукоксования не ниже 500°С, выделяют из него летучие газообразные углеводороды, которые далее разделяют на жидкую и газообразную фракции путем конденсации, а с направленным кислородсодержащим газовым потоком смешивают и сжигают полученный при нагревании размолотого угля полукокс.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что сушку размолотого угля осуществляют одновременно с размалыванием угля.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что размолотый уголь нагревают до температуры полукоксования путем смешивания его с газообразным теплоносителем.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что размолотый уголь нагревают до температуры полукоксования путем смешивания его с твердым теплоносителем, имеющим температуру 800-1300°С.

5. Способ по п.3, отличающийся тем, что газообразным теплоносителем являются газы, образованные при сжигании, по меньшей мере, части летучих газообразных углеводородов.

6. Способ по п.3, отличающийся тем, что газообразным теплоносителем являются газы, образованные при сжигании, по меньшей мере, части полученного полукокса.

7. Способ по п.4, отличающийся тем, что твердым теплоносителем является полученный полукокс.

8. Способ по п.4, отличающийся тем, что твердым теплоносителем является кварцевый песок.

9. Способ по п.4, отличающийся тем, что твердым теплоносителем является керамический дисперсный материал.

10. Способ по п.4, отличающийся тем, что твердым теплоносителем является уголь.

11. Способ по п.4, отличающийся тем, что твердым теплоносителем является оксид неорганического вещества с размером фракций 0,5-5 мм.

12. Способ по п.9, или 10, или 12, отличающийся тем, что теплоноситель после использования отделяют от полукокса просеиванием.

13. Способ по п.1, отличающийся тем, что газообразную фракцию летучих углеводородов полностью или частично сжигают.

14. Способ по п.13, отличающийся тем, что перед сжиганием газообразную фракцию летучих углеводородов очищают от серосодержащих веществ.

15. Способ по п.1, отличающийся тем, что нагревание размолотого угля до температуры полукоксования осуществляют в вихревой камере путем смешивания его с горячим газом.

Ожижение угля

Интерес к проблеме ожижения угля обусловлен тем, что во многих случаях удовлетворительной альтернативы жидким видам топлива (как например, при использовании моторных топлив) нет. Более того, необходимость увеличения использования угля для производства электроэнергии выдвигает дополнительные требования по охране окружающей среды, что в свою очередь также повышает интерес к проблеме получения “чистого” жидкого топлива из угля, которое помимо всего прочего легко хранить.

В углях соотношение атомов водорода и углерода обычно менее единицы, в то время как в топливах нефтяного типа это соотношение (в зависимости от вида) колеблется от 1,5 до 2. Превращение угля в жидкое топливо требует сложных химических преобразований с введением в химический состав получаемого продукта дополнительного водорода и одновременным исключением из него кислорода, серы и азота.

Существуют три основных способа получения жидкого топлива из угля: пиролиз, гидрогенизация и газификация угля с последующей переработкой синтетического газа в жидкое топливо с применением метода “Фишера — Тропша” или других технологий. Во всех перечисленных способах необходимо присутствие водорода: или в самом процессе (как при гидрогенизации), или впоследствии (как при пиролизе и газификации) для обогащения первоначально получаемого из угля продукта.

Пиролиз. При пиролизе уголь подвергается сухой перегонке при высокой температуре без присутствия воздуха. При этом посредством перераспределения водорода в угле получают жидкие и газообразные продукты, а также остаток в виде смол или кокса, в значительной степени освобожденных от водорода. Метод пиролиза “Лурги-Рургаз” уже разработан для промышленного применения. Большое внимание в настоящее время уделяется, главным образом в США и Австралии, процессам пиролиза “Тоскоул” и COED (технологические процессы, позволяющие получать продукт с большим содержанием жидких фракций), на основе которых разрабатывается процесс “Коулгаз”. Интерес к процессу пиролиза обусловлен не только тем, что с его помощью можно получить максимальное количество жидких продуктов, но и возможностью быстрого подъема температуры распыляемого в топке измельченного угля (это свойство пиролиза используется в ФРГ, Великобритании, США и Австралии). Основным продуктом всех пиролизных процессов является обогащенный углеродом продукт, который может использоваться непосредственно в качестве топлива и служить химическим сырьем для получения синтетического топливного газа и для дальнейшего производства жидкого топлива. При переработке углей с высоким содержанием серы в получаемом высокоуглеродистом продукте остается высокий уровень содержания серы. Жидкие производные пиролизного процесса являются сложными по своему химическому составу смолы и мазуты, и для получения из них топлива необходимой чистоты нужна гидрогенизация.

Гидрогенизация.Разрабатываемые в настоящее время методы производства жидкого топлива из угля прямой гидрогенизацией можно подразделить на две группы — каталитические и некаталитические способы. Большой опыт применения обоих способов имеется в ФРГ. Промышленное применение гидрогенизации в 20-х годах в США позволило установить, что данный процесс (если он ведется под давлением) позволяет значительно увеличить количество и улучшить качество моторных топлив при рафинировании сырой нефти. Первые две промышленные установки для этих целей были введены в эксплуатацию в США в 1930 и 1931 гг. фирмой “Стандарт Ойл оф Нью Джерси” (в настоящее время “Эксом”) . Во время второй мировой войны в Германии на угле и угольных смолах по технологии “Бергиус-Пьер” в эксплуатации находились 12 каталитических гидрогенизационных установок годовой мощностью 4 млн. т, что составляло одну треть всей потребности Германии в топливной нефти, использовавшейся в основном для автотранспорта и авиации.

После войны эти установки прекратили свое существование в связи с появлением на мировом рынке дешевых нефтепродуктов. В настоящее время промышленных угольных гидрогенизационных установок нет. Однако в разных странах ведутся интенсивные исследования по разработке большого числа каталитических и некаталитических способов гидрогенизации.

Некаталитические способы по существу предназначены для прямого высокоэффективного превращения угля в продукт, который ожижается при высокой температуре и минимальном потреблении водорода (подача водорода в процессе ожижения угля — наиболее дорогостоящая процедура) . Цель данного способа — удаление углеродистых образований с высоким содержанием серы и минеральных осадков физическими способами и получение топлива, использующегося при производстве электроэнергии и в промышленных котлах, или выработка промежуточного сырья, из которого при дальнейшем обогащении получают высококачественное моторное топливо.

Наиболее отработанным является процесс, основанный на очистке угля растворением. Установка с использованием данного метода “Солвент Рифайнд Коул” (SRC) производственной мощностью 50 т/сут успешно работает в настоящее время в США. Существуют два варианта данного метода: SRC-I и SRC-II. При применении варианта SRC-I получаемый продукт представляет собой при обычной температуре вещество, подобное пиролизным смолам, а при температуре 170 0С превращается в жидкость. В жидкой фазе это вещество неустойчиво, и с учетом его высокой вязкости возникает серьезная проблема выделения из него твердого осадка. Ужесточение законодательства относительно содержания серы в дымовых газах обусловило разработку варианта SRC-II, при котором модифицировано само течение процесса: он ведется при повышенном давлении подаваемого водорода. При этом получаемый продукт остается жидким при обычной температуре, содержание серы в нем снижается, но увеличивается расход водорода. В 1979 г. в конструкторской проработке с экономическим расчетом в США находились два проекта установок с потребляющей мощностью 6000 т угля в сутки: один для эксплуатации по варианту SRC-I и другой — по варианту SRC-II. Япония и ФРГ являются соучастниками проекта SRC-II. Подварианты метода некаталитической гидрогенизации угля, основанные на принципе SRC, активно исследуются в Японии, ЮАР и Великобритании. Один из побочных продуктов данного метода используется в металлургической промышленности, при производстве кокса и промышленного продукта с высоким содержанием углерода.

Целью ожижения угля с помощью прямого каталитического метода гидрогенизации является производство жидкого продукта, который можно непосредственно использовать в качестве тяжелой топливной нефти или сырья (синтетической сырой нефти) с последующей его очисткой до жидких моторных топлив. Этот процесс требует применения катализаторов и протекает при значительно более высоком давлении, чем при некаталитической технологии.

В первоначальной технологии “Бергиуса” применялось чрезвычайно высокое давление (до 700´105 Па), а в последних разработках процесс протекает в менее жестких условиях, но к. п. д. установок значительно увеличился, а потребление водорода снизилось. В США процесс ведется с использованием дорогих катализаторов, которые по завершении процесса извлекаются для регенерации и последующего вторичного использования; в ФРГ разработана технология применения дешевых катализаторов.

В США наиболее разработанным каталитическим методом гидрогенизации из исследуемых в настоящее время является процесс “Эйч-Коул”, в котором проблема управления действием катализатора решается с помощью реактора специальной конструкции. Этот процесс служит повторением процесса “Эйч-Ойл”, который был разработан для обогащения тяжелых остаточных нефтепродуктов с высоким содержанием серы. Опытная установка с потребляющей мощностью 600 т угля в сутки при производстве топливной нефти и 200 т/сут при производстве синтетической сырой нефти сооружена в Каттлетсбурге (шт. Западная Виргиния) и готова к эксплуатации. Если работа этой установки будет успешной, то предполагается строительство завода с потребляющей мощностью 20 тыс. т/сут, но завершение этого строительства ожидается в конце столетия.

В ФРГ исследования в этой области достигли стадии промышленных испытаний на опытной установке потребляющей мощностью 200 т/сут. Характеристики дешевых катализаторов позволили значительно снизить рабочее давление процесса и в настоящее время началась детализированная проработка промышленной установки.

Вторым способом каталитической гидрогенизации, пользующимся повышенным интересом, является процесс растворения (фирма “Эксом”), основная цель которого — избежать осложнений, обусловливаемых прямым контактом катализатора с углем, и отделить жидкий продукт от твердого остатка. При данном процессе извлекаемый водородный растворитель подвергается воздействию катализатора, а полученное соединение вступает в реакцию с углем при повышенных температуре и давлении. В настоящее время завершается строительство опытной установки потребляющей мощностью 300 т/сут.

Технология “Фишера — Тропша”. Технология производства жидкого топлива “Фишера — Тропша”, основанная на переработке синтетического газа, полученного из угля, использовалась во время второй мировой войны в Германии. К концу войны там работали 9 установок по данной технологии, в Японии — четыре, во Франции и Маньчжурии — по одной.

Ответы к параграфу 19

1. Какие главные природные источники углеводородов вам известны?Нефть, природный газ, сланцы, каменный уголь.

2. Каков состав природного газа? Покажите на географической карте важнейшие месторождения: а) природного газа; б) нефти; в) каменного угля.

3. Какие преимущества по сравнению с другими видами топлива имеет природный газ? Для каких целей используют природный газ в химической промышленности?Природный газ, по сравнению с другими источниками углеводородов, наиболее легок в добыче, транспортировке и переработке. В химической промышленности природный газ используется в качестве источника низкомолекулярных углеводородов.

4. Напишите уравнения реакций получения: а) ацетилена из метана; б) хлоропренового каучука из ацетилена; в) тетрахлорметана из метана.

5. Чем отличаются попутные нефтяные газы от природного газа?Попутные газы – это летучие углеводороды, растворенные в нефти. Их выделение происходит путем перегонки. В отличие от природного газа, может быть выделен на любой стадии разработки нефтяного месторождения.

6. Охарактеризуйте основные продукты, получаемые из попутных нефтяных газов.Основные продукты: метан, этан, пропан, н-бутан, пентан, изобутан, изопентан, н-гексан, н-гептан, изомеры гексана и гептана.

7. Назовите важнейшие нефтепродукты, укажите их состав и области их применения.

8. Какие смазочные масла используют на производстве?Моторные масла трансмиссионные, индустриальные, смазочно-охлаждающие эмульсии для металлорежущих станков и др.

9. Как осуществляют перегонку нефти?

10. Что такое крекинг нефти? Составьте уравнение реакций расщепления углеводородов и при этом процессе.

11. Почему при прямой перегонке нефти удается получить не более 20 % бензина?Потому, что содержание бензиновой фракции в нефти ограниченно.

12. Чем отличается термический крекинг от каталитического? Дайте характеристику бензинов термического и каталитического крекингов.При термическом крекинге необходимо нагревать реагирующие вещества до высоких температур, при каталитическом – введение катализатора снижает энергию активации реакции, что позволяет существенно уменьшить температуру реакции.

13. Как практически можно отличить крекинг-бензин от бензина прямой перегонки?Крекинг-бензин обладает более высоким октановым числом, по сравнению с бензином прямой перегонки, т.е. детонационно более устойчив и рекомендуется для использованию в двигателях внутреннего сгорания.

14. Что такое ароматизация нефти? Составьте уравнения реакций, поясняющих этот процесс.

15. Какие основные продукты получают при коксовании каменного угля?Нафталин, антрацен, фенантрен, фенолы и каменноугольные масла.

16. Как получают кокс и где его используют?Кокс – твердый пористый продукт серого цвета, получаемый путём кокосования каменного угля при температурах 950-1100 без доступа кислорода. Его применяют для выплавки чугуна, как бездымное топливо, восстановитель железной руды, разрыхлитель шихтовых материалов.

17. Какие основные продукты получают:а) из каменноугольной смолы; б) из надсмольной воды; в) из коксового газа? Где они применяются? Какие органические вещества можно получить из коксового газа?а)бензол, толуол, нафталин – химическая промышленностьб)аммиак, фенолы, органические кислоты – химическая промышленностьв)водород, метан, этилен – топливо.

18. Вспомните все основные способы получения ароматических углеводородов. Чем различаются способы получения ароматических углеводородов из продуктов коксования каменного угля и нефти? Напишите уравнения соответствующих реакций.Различаются способами получения: первичная переработка нефти основана на различии в физических свойствах различных фракций, а коксование основано сугубо на химических свойствах каменного угля.

19. Поясните, как в процессе решения энергетических проблем в стране будут совершенствоваться пути переработки и использования природных углеводородных ресурсов.Поиск новых источников энергии, оптимизация процессов добычи и переработки нефти, разработка новых катализаторов для удешевления всего производства и т.д.

20. Каковы перспективы получения жидкого топлива из угля?В перспективе получение жидкого топлива из угля возможно, при условии снижения затрат на его производство.

Задача 1. Известно, что газ содержит в объемных долях 0,9 метана, 0,05 этана, 0,03 пропана, 0,02 азота. Какой объем воздуха потребуется, чтобы сжечь 1 м3 этого газа при нормальных условиях?

Задача 2. Какой объем воздуха (н.у.) необходим, чтобы сжечь 1 кг гептана?

Задача 3. Вычислите, какой объем (в л) и какая масса (в кг) оксида углерода (IV) получится при сгорании 5 моль октана (н.у.).

Делаем из угля

И еще один маленький момент, о котором не было упомянуто раньше, – при работе в домашних условиях установки, наверняка, будут получаться довольно большими. Поэтому размещать их в квартире не рекомендуется. А вот создать их в собственном доме или около него – дело вполне реальное.

Синтетический бензин может быть получен из угля в результате влияния пара. Его газификация – это самый простой и реализуемый способ для домашних условий. Итак, приступим. Первоначально для большей эффективности работы и увеличения скорости протекания процесса уголь необходимо измельчить. Затем осуществляется его насыщение водородом. Затем необходимо создать температуру в 400-500 градусов по Цельсию и давление в 50-300 кг/см2. И ждем момента перехода в жидкое состояние. Если не используется растворитель, то таким станет только 5-8% от всей массы угля. Затем приходит черед катализаторов. Для угля подходит: молибден, никель, кобальт, олово, алюминий, железо, а также их соединения. Для газификации можно использовать любой вид сырья. Бурый, каменный – все подойдет. Хотя его качество влияет на эффективность преобразования. Ранее приводилось обозначение количества углеродов и называлась цифра в 8%. Это не совсем верно. Зависимо от марки и качества, значение может колебаться от 4% до 8%. А для минимальной пригодности последующей обработки и выделения бензина необходимо добиться значения в 11% (лучше 15%). Первоначально, не факт, что все будет получаться. Особенно, если прогуливались уроки по физике и химии. Тем не менее синтетический бензин из угля можно успешно делать и использовать.

Динамика потребления газа из угля в мире

Приведенные данные наглядно демонстрируют ускорение динамики вовлечения газификации угля в мировую промышленность. Повышенный интерес к внутрицикловой газификации угля в развитых странах объясняется двумя причинами.

Во-первых, ТЭС с внутрицикловой газификацией экологически менее опасна. Благодаря предварительной очистке газа сокращаются выбросы оксидов серы, азота и твердых частиц.

Во-вторых, использование бинарного цикла позволяет существенно увеличить КПД электростанции и, следовательно, сократить удельный расход топлива.

В табл. 2 приведены характерные величины удельных выбросов и КПД для ТЭС с внутрицикловой газификацией и для ТЭС с традиционным сжиганием угля.

Таблица 2

Величины удельных выбросов и КПД для ТЭС с внутрицикловой газификацией и с традиционным сжиганием угля

Необходимо отметить, что удельные капитальные затраты при использовании внутрицикловой газификации составляют примерно 1500 долл. США за 1кВт с перспективой снижения до 1000-1200 долл. США, в то время как для традиционной угольной ТЭС удельные капитальные затраты составляют примерно 800-900 долл. США за 1 кВт. Ясно, что ТЭС с внутрицикловой газификацией твердого топлива более привлекательна при наличии экологических ограничений в месте размещения и при использовании достаточно дорогого топлива, так как расход топлива на 1 кВт сокращается.

Эти условия характерны для развитых стран. В настоящее время использование внутрицикловой газификации твердого топлива считается самым перспективным направлением в энергетике.

3.3 Инженерные разработки за прошедшее столетие

В настоящее время выявились следующие наиболее экономически эффективные области применения метода газификации:

— газификация сернистых и многозольных топлив с последующим сжиганием полученных газов на мощных тепловых электростанциях. В углях, ежегодно добываемых в России, содержится около 10 млн. т серы, большая часть которой при сжигании выбрасывается в атмосферу в виде токсичных оксидов серы и серооксида углерода. При газификации сернистых углей образуется сероводород, который можно сравнительно легко извлечь и затем переработать в товарную серу или серную кислоту

— газификация твердых топлив для крупномасштабного производства заменителей природного газа. Это направление имеет наибольшее значение для местного газоснабжения районов, удаленных от месторождений природного газа и нефти или от магистральных трубопроводов

— газификация твердых топлив с целью получения синтез-газа, газов-восстановителей и водорода для нужд химической, нефтехимической и металлургической промышленности.

Процесс газификации зависит от многих факторов, влияющих на состав получаемого газа и его теплоту сгорания. В связи с этим до сих пор отсутствует единая общепринятая классификация методов осуществления рассматриваемого процесса. Ниже приведен один из возможных вариантов классификации.

· по виду дутья (газифицирующего агента): воздушное, воздушно-кислородное, паровоздушное, парокислородное.

· по давлению: при атмосферном давлении, при повышенном давлении.

· по размеру частиц топлива: газификация крупнозернистого (кускового), мелкозернистого и пылевидного топлива.

· по конструктивным особенностям реакционной зоны: в неподвижном плотном слое топлива, в псевдоожиженном слое топлива, в пылеугольном факеле.

· по способу выведения золы: в твердом виде, в виде жидкого шлака.

· по способу подвода тепла: при частичном сжигании топлива в газогенераторе, при смешении топлива с предварительно нагретым твердым, жидким или газообразным теплоносителем (регенеративный нагрев), при подводе тепла через стенку аппарата (рекуперативный нагрев).

Как происходит выделение бензина из угля?

Стоит отметить, что переработка угля с целью получить разные виды моторного топлива – вовсе не миф. Более, того существует две проверенных методики, реализованные на пpaктике еще в начале прошлого века.

В те времена нацистская Германия, стремящаяся завоевать всю Европу, именно этими способами обеспечивала свою военную технику горючим, поскольку собственных месторождений нефти у нее нет. В то же время в распоряжении страны имелись залежи бурого угля, из которого на двух десятках заводов производился синтетический бензин и дизельное топливо.

Для справки. Обе методики были изобретены разными немецкими учеными в начале 20-го века, соответственно, получили их имена.

Как оказалось, уголь по своему химическому составу не слишком отличается от нефти. Основа у них общая – горючие соединения углерода с водородом, только доля водорода в нефти значительно больше. Если число водорода в углях удастся уравнять с нефтью, то и получение жидкого горючего станет реальностью. Вот способы решения проблемы:

• гидрогенизация, иначе – ожижение (процесс Бергиуса).
• газификация с последующим синтезом топлива (процесс Фишера – Тропша).

Чтобы понять, удастся ли наладить выделение бензина в домашних условиях, надо получить общее представление об этих химико-технологических процессах, о них будет рассказано ниже.

Монооксид углерода, карбонилы металлов и правило 18 электронов

Многочисленные синтезы на базе монооксида углерода и водорода представляют громадный как практический, так и теоретический интерес, так как позволяют из двух простейших веществ получать ценнейшие органические соединения. И здесь определяющую роль играет катализ переходными металлами, которые способны активировать инертные молекулы СО и Н2. Активация молекул — это перевод их в более реакционноспособное состояние. Особо следует отметить, что в превращениях синтез-газа широкое развитие получил новый тип катализа — катализ комплексами переходных металлов или металлокомплексный катализ (см. статью О.Н. Темкина ).

Так ли инертна молекула СО? Представления об инертности монооксида углерода носят условный характер. Еще в 1890 году Монд получил из металлического никеля и монооксида углерода первое карбонильное соединение металла, летучую жидкость с температурой кипения 43°С — Ni(CO)4 . Интересна история этого открытия, которое можно отнести к случайным. Монд, исследуя причины быстрой коррозии никелевых реакторов в производстве соды из NaCl, аммиака и СО2, нашел, что причиной коррозии является наличие в СО2 примесей монооксида углерода, который реагировал с никелем с образованием тетракарбонила Ni(CO)4 . Это открытие позволило Монду в дальнейшем разработать способы очистки никеля через получение летучего карбонила никеля и последующего его термического разложения снова до никеля и СО. Через 25 лет также случайно был открыт карбонил железа — Fe(CO)5. Когда на фирме BASF вскрыли давно забытый стальной баллон с СО, на дне его обнаружили желтую жидкость — пентакарбонил железа, который постепенно образовался в результате реакции металлического железа с СО под повышенным давлением. Поскольку карбонилы металлов являются весьма токсичными соединениями, поначалу отношение к ним химиков было весьма прохладным, однако в дальнейшем были открыты удивительные свойства, в том числе каталитические, которые определили их широкое применение, особенно в химии монооксида углерода. Отметим, что многие металлы в мелкодисперсном состоянии могут непосредственно вступать в реакцию с монооксидом углерода, но таким способом получают только карбонилы никеля и железа. Карбонилы других металлов получают при восстановлении их соединений в присутствии СО при высоких давлениях.

Состав карбонильных комплексов переходных металлов можно предсказать на основании правила 18 электронов, согласно которому комплекс будет стабильным, если сумма валентных электронов металла и электронов, предоставленных лигандом, в нашем случае СО, будет равна 18, так как при этом электронная конфигурация соответствует устойчивой конфигурации атомов благородных газов (криптона).

Молекула монооксида углерода имеет неподеленные пары электронов, при этом пара электронов на углероде может быть предоставлена для образования связи с металлом по донорно- акцепторному типу. В качестве примера рассмотрим структуру карбонилов железа и никеля Fe(CO)5 и Ni(CO)4. Атомы железа и никеля имеют соответственно 8 и 10 валентных электронов, и для заполнения электронной оболочки атома до конфигурации атома благородного газа криптона недостает 10 и 8 электронов, и поэтому при образовании карбонилов атому железа должны предоставить электронные пары пять молекул СО, а атому никеля — четыре.

Переходные металлы, имеющие нечетное число валентных электронов, образуют биядерные карбонильные комплексы. Так, для кобальта, имеющего девять валентных электронов, до устойчивой электронной конфигурации не хватает девяти электронов. Одноядерные комплексы за счет принятия четырех пар от молекул СО будут иметь неспаренные электроны, и такие частицы радикального характера взаимодействуют друг с другом с образованием связи металл-металл, и в результате образуется димерный комплекс Со2(СО)8.

Взаимодействие или координация монооксида углерода с металлом приводит к перераспределению электронной плотности не только на СО, но и на металле, что существенно влияет на реакционную способность карбонильного комплекса. Наиболее распространен так называемый линейный тип координации СО:

При этом происходит не только s-взаимодействие за счет свободной пары электронов углерода, но и p-взаимодействие за счет передачи электронов с d-орбитали металла на энергетически доступные вакантные орбитали углерода:

Получение бензина путем газификации

Данный метод, изобретенный немецкими учеными Ф. Фишером и Г. Тропшем, предусматривает производство дизельного топлива и бензина путем предварительной газификации угольного сырья. Это происходит в большой емкости – реакторе при температуре до 350 °С и давлении не более 30 Бар. Хотя здесь условия и не настолько жесткие, как при гидрогенизации, но реализовать их ничуть не проще. Например, потому что сквозь слой угля надо под большим давлением продувать перегретый водяной пар, а значит, не обойтись без мощного парового котла.

После газификации на выходе из реактора образуется так называемый синтез-газ, состоящий из водорода и обычного угарного газа (СО). Кстати, сингаз можно прямо использовать в качестве газообразного топлива без последующей переработки.

Полученные газы поступают во второй реактор, где и происходит окончательная переработка угля в жидкое топливо. Там же располагаются вещества – катализаторы. В промышленности для этой цели могут использоваться разные соединения, но любое из них обязательно содержит железо, никель или кобальт. Не вдаваясь в тонкости химии, отметим, что на выходе из второго реактора получается горючее, которое должно еще пройти процедуру крекинга. То есть, разделение на бензин и дизельное топливо из угля.

Побочными продуктами реакции являются различные вещества и парафин. Среди выделяющихся летучих веществ наибольшая доля приходится на углекислый газ, что считается большой проблемой производства горючего подобным методом. Также достаточно быстро теряет активность катализатор, поэтому его постоянно требуется обновлять. Эти факторы, да еще ряд не столь значительных причин, приводят к высокой себестоимости продукта. При цене на нефть 50 долларов за баррель производство бензина из угля методом Фишера – Тропша считается нерентабельным.

Существует и другой метод газификации углей – термический. Он схож с явлением пиролиза, поскольку осуществляется нагревом сырья в емкости извне и при отсутствии кислорода. Другое дело, что разложение твердого топлива на газы происходит при температуре 1200 °С, а для этого требуется соответствующее оборудование. Позитивная сторона термического метода состоит в том, что часть пиролизных газов направляется на подогрев исходного сырья, а другая – на синтез бензина. За счет этого снижаются затраты на энергоносители, так как уголь во время разложения может подогревать себя сам.

Для справки. На просторах интернета можно найти описание разных установок, с помощью которых можно получить бензин из природного газа в домашних условиях. Вначале он конвертируется в синтез-газ, а затем переpaбатывается в жидкое топливо. Даже если считать, что эти самодельные аппараты работоспособны, провести газификацию угля гораздо сложнее.

Актуальность

Таким образом есть необходимость в разработке такой технологии первичной переработки и окускования бурого угля, которая бы учитывала специфические свойства исходного бурого угля, условия процесса гидравлического транспортирования угля и требования к характеристикам угольного сырья в дальнейших операций по его переработке – пиролиза, сжигания, ожижения, брикетирования, обезвоживания. Решением этой проблемы может стать технология обработки угля масляными реагентами – масляная агрегация.

Селективная масляная агрегация угля объединяет совокупность процессов структурирования тонкой полидисперсной угольной фазы в водной среде с помощью масляных реагентов. В основе процессов селективной масляной агрегации угля лежит механизм адгезионного взаимодействия олеофильной угольной поверхности с маслами, в результате которого достигается ее селективное смачивание и агрегатирование в турбулентном потоке воды. Гидрофильные частицы, не смачиваемые маслом в структуру агрегатов не входят, что позволяет выделять их в виде породной суспензии.

Обработка бурого угля селективной масляной агрегацией устраняет его дезинтеграцию и размокание, «консервируя» органическое вещество в гидрофобных агрегатах, которые легко обезвоживаются механическими методами и являются хорошим сырьем для пиролиза, брикетирования, газификации.

Выводы

Невзирая на то, что выделение моторного топлива из каменного и бурого угля вполне реально и давно проверено на производстве, организовать его в домашних условиях вряд ли возможно. Конечно, всегда найдется несколько умельцев – энтузиастов, что любят добиваться поставленной цели и смогут синтезировать бензин своими руками. Но для этого надо подробно изучить технологию и прилично повозиться с оборудованием, не говоря уже о пожарной опасности.

Для широкого круга домовладельцев и автолюбителей получение солярки и бензина из угля недоступно. А если подойти к вопросу с точки зрения экономики, то и нерентабельно. На данный момент, пока на эту тему не появилось новых изобретений и разработок, проще и надежнее пользоваться обычным, «нефтяным» бензином.

Не нашли интересующую Вас информацию? на нашем форуме.