Как из угля делают бензин: два способа синтетического топлива
Бензин из угля получают двумя способами: либо превращают уголь в газ и затем собирают из этого газа молекулы топлива (процесс Фишера-Тропша), либо растворяют уголь под высоким давлением и температурой прямо в жидкость, похожую на нефть (гидрогенизация по методу Бергиуса). Оба способа известны с 1920-30-х годов, оба требуют огромных затрат энергии и воды, и оба применяются в промышленных масштабах только там, где своей нефти нет, а уголь есть в избытке — классический пример такой страны — Южная Африка.
- Уголь превращают в бензин двумя методами: газификация с синтезом (Фишер-Тропш) или прямое ожижение под давлением (Бергиус)
- Технология энергозатратна: на выходе получают меньше энергии, чем тратят на переработку
- Экономически оправдана только при дорогой нефти или полной изоляции страны от нефтяного импорта
- Выбросы CO2 при производстве такого бензина выше, чем при обычной нефтепереработке
Метод Фишера-Тропша: уголь через газ
Сначала уголь превращают в синтез-газ — смесь угарного газа и водорода. Для этого его нагревают почти без доступа кислорода при температуре выше 1000 градусов. Получившийся газ очищают от серы и других примесей, а затем пропускают через катализатор — обычно на основе железа или кобальта.
Ещё по теме: Температура горения каменного угля: от воспламенения до 1300 °C в топке и Как делают брикеты из опилок для печей своими руками.
На катализаторе молекулы угарного газа и водорода соединяются в цепочки углеводородов — это и есть основа будущего топлива. Дальше смесь разделяют перегонкой, как обычную нефть: получают бензиновую, керосиновую и дизельную фракции. Именно этим способом работает завод южноафриканской компании Sasol, крупнейший в мире по объёму производства такого топлива.
Прямая гидрогенизация: метод Бергиуса
Второй путь короче по числу стадий, но не проще технически. Измельчённый уголь смешивают с маслом в пасту, добавляют катализатор и подают в реактор при давлении около 200-700 атмосфер и температуре 400-500 градусов. Туда же под давлением закачивают водород.
Молекулы угля разрываются на более короткие цепочки и одновременно насыщаются водородом — получается смесь, близкая по составу к нефти. Немцы использовали именно этот метод во время Второй мировой войны, когда доступ к нефти был перекрыт: несколько заводов в Германии производили значительную часть топлива для военной техники таким способом.
Почему это дорого
Главная проблема обеих технологий — энергетический баланс. Чтобы получить один литр синтетического бензина, нужно затратить больше энергии, чем содержится в этом литре топлива. Разница уходит на нагрев, поддержание давления, работу компрессоров и очистку продуктов.
Добавляется расход воды — на производство требуется несколько тонн воды на тонну готового топлива, что делает технологию неудобной в засушливых регионах. И расход самого угля: на тонну жидкого топлива уходит несколько тонн исходного сырья, в зависимости от его качества.
От чего зависит эффективность процесса
Качество угля меняет всё. Уголь с высоким содержанием летучих веществ и низкой зольностью газифицируется легче и даёт больше синтез-газа на единицу массы. Бурый уголь и низкосортные марки требуют больше энергии на подготовку и дают худший выход топлива.
Тип катализатора определяет, какие именно углеводороды получаются на выходе — можно настроить процесс под бензин, под дизель или под сырьё для химической промышленности. Давление и температура в реакторе влияют на длину получаемых молекул: чем выше давление, тем тяжелее фракции.
Экологическая сторона вопроса
Производство синтетического бензина из угля выделяет заметно больше углекислого газа, чем обычная нефтепереработка — по некоторым оценкам, в полтора-два раза больше на единицу готового топлива, если считать весь цикл от добычи угля до заправки бака. Причина в дополнительных стадиях переработки и большом расходе энергии на каждую из них.
Часть углекислого газа можно улавливать и закачивать под землю — такие проекты существуют, но они увеличивают стоимость производства ещё больше. Без улавливания технология остаётся одной из самых углеродоёмких среди всех способов получения жидкого топлива.
Где применяется сегодня
Массового распространения технология не получила. Она остаётся нишевой и используется там, где есть политические или экономические причины не зависеть от импорта нефти при наличии своего угля. Помимо южноафриканского завода, отдельные производства работают в Китае — там угольная химия развивается активно из-за собственных запасов угля и растущего спроса на топливо и химическое сырьё.
В остальном мире экономика не складывается: при нынешних ценах на нефть строить завод по ожижению угля почти никогда не выгодно, если только государство не субсидирует проект напрямую по стратегическим соображениям.
Что в итоге
Превращение угля в бензин — рабочая, проверенная десятилетиями технология, но не массовая и не дешёвая. Она годится как резервный вариант для стран без своей нефти, а не как замена обычной нефтепереработке. Тем, кто интересуется темой профессионально — для учёбы, работы в энергетике или оценки инвестиций — стоит смотреть отчёты профильных институтов и статистику конкретных производств, а не общие обзоры: цифры по выходу топлива и выбросам сильно различаются в зависимости от типа угля и конкретной технологической схемы завода.