Получение топлива из угля, спирта и других источников

Реферат по теме

ПОЛУЧЕНИЕ ТОПЛИВА ИЗ УГЛЯ, СПИРТА И ДРУГИХ ИСТОЧНИКОВ. 

Выполнила Грешнюк Ольга 10 «А» класс

Проверила Долматова Ирина Афанасьевна 
 
 
 
 
 
 
 

2011

  Примерно половина всей энергии, производимой в мире, в настоящее время вырабатывается из нефти, в том числе, практически  вся энергия для автономных подвижных  потребителей. Но вот уже почти  десять лет цены на нефть быстро растут ее запасы приращиваются все медленнее, а добыча становится все дороже. Нет недостатка в прогнозах о времени исчерпания запасов нефти.

  Не исключено, что будут найдены и вовлечены  в разработку новые нефтяные месторождения, но это не изменит основного вывода: запасы нефти относительно невелики, до их исчерпания необходимо научно и  технически подготовиться к получению  синтетической нефти из угля. Геологические  ресурсы угля почти в 30 раз превышают  запасы нефти, то есть их хватит человечеству на много столетий.

  Для превращения  органической массы угля в нефтеподобное вещество нужно решить три химические задачи: удалить из нее кислород, а вместе с ним и такие вредные примеси для топлива, как азот и сера, в виде соответственно воды, аммиака и сероводорода, израсходовав для этого много водорода, которого и так мало в угле; добавить в органическую массу водорода до соотношения водорода и углерода в нефти; разукрупнить макромолекулы органической массы угля до молекулярного веса компонентов нефти.

  Из всех этих задач проще всего третья —  уже давно в переработке горючих  ископаемых применяются термические  и термокаталитические процессы, в которых под действием тепла  увеличиваются колебательные движения атомов в молекулах, рвутся наименее прочные химические связи и большие  молекулы превращаются в меньшие.

  Гораздо сложнее  обстоит дело с присоединением водорода, то есть с процессом гидрогенизации, как он называется в технике. Если сравнить угли наиболее перспективного в нашей стране Канско-Ачинского  бассейна с самотлорской нефтью, которая сейчас занимает первое место в общесоюзной добыче, то на 100 атомов углерода в угле приходится 96 атомов водорода и 27 атомов кислорода, а в нефти 180 — водорода и только 0,2 атома кислорода. Удаление кислорода в виде воды заберет 54 атома водорода, значит, нужно к оставшимся 42 добавить 138, то есть почти в четыре раза больше. На производство водорода нужно расходовать опять же уголь, значит, процесс усложняется стадиями газификации, конверсии окиси углерода и Очистки технического водорода.

  Присоединение водорода к сложным органическим соединениям, слагающим уголь, протекает  трудно и медленно. Нужны хорошие  катализаторы, но они, как правило, дороги, а ката* л и затор после сжижения угля неизбежно смешивается с золой и должен быть выброшен вместе с ней. Дешевые катализаторы малоактивны. Чтобы компенсировать низкую активность, в прошлом применяли высокие Давления (до 700 атмосфер) и температуры (до 450—480 градусов Цельсия). Но даже и в этих условиях органическая масса, переходя в жидкое состояние, не освобождалась полностью от вредных кислородных и азотистых компонентов.

  Поэтому первичный  продукт сжижения разделяли, тяжелую  часть возвращали в цикл, а легкую, выкипающую до 325 градусов, дополнительно  насыщали водородом и подвергали расщеплению под давлением водорода 300 атмосфер. Таким образом, технологический  процесс складывался из трех последовательных стадий, не считая отдельных производств  подготовки угля, дробления, замешивания  его в пасту, производства водорода, выделений золы и ее нагрева Для возврата увлеченного с золой органического вещества, очистки сточных вод и т. д. Немудрено, что громоздкое оборудование стоило очень дорого, а сложная технология приводила к тому, что из-за многостадийное, частых нагревов и охлаждений лишь 35—40 процентов энергии, заключенной б угле, переходило в конечные жидкие продукты (энергетический КПД 35—40 процентов).

  Все перечисленные  причины и определили прекращение  в 40-х годах производства синтетических  топлив, реконструкцию предприятий  по их производству в нефтеперерабатывающие  и нефтехимические заводы.

  Отсюда ясно, что себестоимость синтетического топлива чрезвычайно высока. К  этому нужно добавить, что рост цен на нефть вызывает цепную реакцию  подъема цен не только на промышленное оборудование, но и на уголь. Поэтому  первые промышленные предприятия по производству синтетических топлив следует создавать только в районах, где имеются месторождения угля, позволяющие организовать дешевую  открытую добычу. 

  РФ располагает таким уникальным месторождением, как Канско-Ачинский бассейн, запасы дешевых углей которого могут обеспечить сырьем производство синтетических топлив на многие столетия. Именно на основе богатств этого бассейна и должна быть решена задача организации производства жидкого топлива.

  Однако если сырьевая проблема ясна, то технология этого производства, как было показано выше, еще требует коренного улучшения.

  Придавая большое  значение этой задаче, планирующие  органы нашей страны составили целевую  программу разработки процессов  и оборудования для получения  синтетических жидких и газообразных топлив из угля и других нефтяных видов  сырья. Подобная программа, осуществляемая впервые в истории страны, призвана обеспечить научную и техническую  базу для новой отрасли народного  хозяйства — производства синтетических  топлив. Программа предусматривает  проверить различные технологические  решения в этой области на крупных  опытно-промышленных установках, разработать  технико-экономическое обоснование  на сооружение первого промышленного  предприятия и приступить к его  строительству в двенадцатой  пятилетке.

  Программа направлена в первую очередь на вовлечение в переработку дешевых Канско-Ачинских углей, поэтому работы будут вестись в основном в Сибири. В планах предусмотрена комбинация процессов сжижения и газификации   угля  с  производством  электроэнергии или другими энергетическими процессами, что повысит общую эффективность процесса, позволит достичь энергетических КПД порядка 70—80 процентов и попутно решить экологические проблемы, предотвратив загрязнение атмосферы вредными продуктами сгорания угля.

  Все работы будут  базироваться на новых принципах  управления химическими и физико-химическими  процессами превращения органической массы угля в жидкое топливо.

  В последние  годы производство синтетической нефти  из угля получает все более широкое  распространение. Технология его была разработана в Германии в 30-х годах. К концу второй мировой войны  она производила около 100 тыс. баррелей (1 баррель равен 158,99 л) синтетической  нефти в день, используя ее как  горючее для заправки военной  техники.

  После войны  европейские страны, в том числе  и ФРГ, перешли на использование  природной импортной нефти из стран Ближнего Востока.

  В настоящее  время технология перегонки угля в «нефть» достаточно хорошо разработана. Нефть и уголь при сравнении  их элементного состава являются ближайшими родственниками. Основное их различие в содержании водорода: до 8% в угле против 15% в нефти.

  Но если тонко  измельченный уголь насыщать в определенных термодинамических условиях водородом, то он почти полностью переходит  в жидкое состояние. Получается синтетическая  нефть, очень близкая по свойствам  к природной. Процесс этот именуется гидрогенизацией угля и происходит при температуре 400—500°С и давлении, достигающем 300 кгс/см2

  Процесс гидрогенизации значительно ускоряется, а степень  сжижения угля увеличивается, если использовать такие катализаторы, как молибден, кобальт, никель, железо, олово, алюминий или их соединения.

  Жидкое топливо  из угля можно получить и в том  случае, если сначала уголь подвергнуть  газификации, а затем газ сжижать  в присутствии катализатора, чтобы  получить различные жидкие фракции.

  Производство  синтетической нефти из угля в  промышленных масштабах осуществляется пока только в ЮАР. В США планируется  пуск крупного завода по переработке 6 тыс. т угля в день, что эквивалентно 20 тыс. баррелей синтетической нефти  в сутки (около 2,5 тыс. т). В оснащении  завода принимают участие консорциум японских фирм и ФРГ. Хотя завод строится на деньги американских налогоплательщиков, его эксплуатация будет осуществляться частной нефтяной монополией «Гольф ойл корпорейшн».

  Добыча жидкого  топлива из сланцев и песчаников требует очень дорогой технологии и поэтому особенного распространения  не получила.

  Только в  США 1,8 триллиона тонн нефти заключено  в горных породах тихоокеанского побережья. Технология производства нефти  из сланцев достаточно проста: размельченная  порода «варится» при температуре 490° С до полного выкипания нефти. Но стоимость строительства завода производительностью до 100 тыс. баррелей нефти в день оценивается почти в 3 млрд. долл. Цена одной баррели синтетической нефти при этом составит 45 долл. против 30 долл. сырой природной нефти. Дороговизна, загрязнение окружающей среды, потребление большой массы воды являются серьезными препятствиями для быстрого и эффективного налаживания производства нефти из сланцев в промышленных масштабах. Использование угля в качестве источника автомобильного топлива имеет большие перспективы, ибо запасов угля хватит на 600 лет и более. Правда, распределены они очень неравномерно. Из годных для разработки месторождений 48% расположено в США и только около 8% в Западной Европе.

  Сколько угля нужно для получения тонны  нефти? Это зависит от его качества. Бурого угля надо 5 т, а каменного  — 2—3 т. Ресурсы угля, пригодного для  гидрогенизации, огромны и оцениваются  в сотни миллионов тонн, в первую очередь в наиболее освоенных  Кузнецком и Канско-Ачинском, а  также в Иркутском, Ленском и  других бассейнах. Так что в будущем, когда иссякнут запасы природной  нефти, «угольная» нефть вполне сможет заменить её.

  Ведутся также интенсивные  поиски в области  получения синтетического бензина из биомассы и другого сырья.

  Еще одним  интересным источником получения синтетической  нефти является переработка изношенных автомобильных шин. В США, например, ежегодно выбрасывается почти 200 млн. шин, или 2 млн. т различных материалов, идущих на их изготовление. Исследования, проводимые в течение многих лет, показали, что резиновые отходы, в частности шины, могут с помощью  пиролиза перерабатываться в нефть  и газ. Пиролиз — это процесс  распада вещества под воздействием высокой температуры и отсутствия воздуха при одновременном образовании  из продуктов распада новых сложных  соединений, в результате чего получается 45—55% нефти, 5—10% высококалорийного  газа.

  Очевидно, что  этот способ целесообразен только в  странах с большими автопарками, которые смогут обеспечить промышленность использованной резиной в достаточном  количестве.

  В СССР еще  в 1934 г, — в годы второй пятилетки  — обосновывалась необходимость  переработки твердых топлив в жидкие на основе процесса гидрирования углей. В нашей стране перспективным является производство синтетического топлива из углей Экибастуз-ского и Канско-Ачинского месторождений. Стоимость синтетического топлива в целом определяется стоимостью исходного сырья, т. е. угля. Поэтому особенно высокоэффективным представляется использование дешевых Канско-Ачинских запасов угля для производства синтетического топлива. Учитывая колоссальные запасы угля в нашей стране, гидрогенизация бурого угля с целью получения жидкого топлива для нужд народного хозяйства представляется достаточным и необходимым. Степень целесообразности такой переработки постоянно возрастает, поскольку, с одной стороны, запасы нефти истощаются, а с другой — совершенствуется технология переработки углей в жидкие углеводороды.

  Спирт. Развитие химической промышленности дало возможность  создать искусственные виды топлива: метанол (метиловый спирт) и этанол (этиловый спирт).

  В промышленно  развитых капиталистических странах  с ограниченными ресурсами нефти  в качестве автомобильного топлива  все шире используются синтетические  спирты (в частности, метанол).

  Метанол (метиловый  спирт) может быть получен из каменного  и бурого углей, природного и попутного  нефтяного газа и биомассы. Технология получения метанола отработана относительно хорошо и для автотранспортных нужд является наиболее применяемым не нефтяным топливом.

  Спирты обладают высоким октановым числом (90—94 единицы  по исследовательскому методу). У них  большая, чем у бензина, скрытая  теплота испарения, что снижает  тепловую напряженность деталей  двигателя и затрудняет его пуск в холодную (ниже 8°С) погоду. Ввиду  этого появляется необходимость  предпускового подогрева горючей  смеси или применения специального устройства для пуска двигателя, в котором в качестве топлива  используется бензин или другие легкоиспаряющиеся  химические соединения. Еще одним  недостатком является высокая химическая активность метанола, которая проявляется в его вредном воздействии на детали автомобиля, изготовленные из свинца, магния, цинка и его сплавов, различных пластмасс, резины. Как все спирты, метанол обладает способностью поглощать влагу, в «результате чего его топливные качества заметно ухудшаются. Вдвое меньшая теплотворная способность спирта обусловливает вдвое больший расход топлива.

  В то же время  продукты сгорания спирта содержат существенно  меньше окислов азота и углерода, дают меньше отложений нагара на деталях  двигателя.