Для кроме процесса получения синтетической нефти из твердого топлива CTL, существует процесс получения жидких нефтепродуктов из природного газа – GTL (Gas-to-liquid). По сути этот тот же процесс Фишера-Тропша, разница только в том, что сырье для процесса в виде синтез-газа получается не из угля или другого твердого топлива, а природного газа.
Существует два основных способа получения синтез-газа из метана и его газообразных гомологов:
1. Паровая конверсия метана. Реакция взаимодействия метана с водяным паром проводится в присутствии никелевых катализаторов (Ni-Al2O3) при повышенных температурах (800-900С) и давлении: CH4 + H2O =CO + 3H2
В качестве сырья вместо метана может быть использовано любое углеводородное сырье.
2. Парциальное окисление углеводородов. Процесс заключается в неполном термическом окислении углеводородов при температурах выше 1300С:
CnH2n + 2 + 1/2nO2 = nCO + (n + 1)H2
Существует и третий способ – углекислотная конверсия, но на практике же используется только первый способ – паровой конверсии, как наиболее простой и экономичный.
После того, как получили синтез-газ из газа или любого другого углеводородного/углеродного сырья, можно приступать к получению жидких углеводородов.
В 1919 году немецкие ученые Франц Фишер и Ганс Тропш начали первые исследования по синтезу нефти. Они обнаружили, что синтез-газ, в присутствии определенных металлов, превращается в углеводороды, что стало основой для создания альтернативного топлива. Уже к 1928 году они запустили экспериментальную установку. Однако для успешной реализации технологии требовалось не только провести главную реакцию, но и организовать получение синтез-газа из угля, его очистку и проведение реакции синтеза жидких углеводородов
В качестве катализатора, то есть твердой фазы, которая несла активный компонент, использовался кизельгур, добываемый в горах Южной Германии. Этот пористый материал пропитывали солями кобальта, добываемыми в Саксонии, а также солями тория, который радиоактивен. Но тогда к этому относились гораздо проще, чем сейчас.
Катализатор Фишера-Тропша создавал весьма сложный продукт. Заводы первоначального поколения, помимо полезного эрзац-бензина, производили еще 72 побочных вещества: мыло, стиральный порошок, химические реактивы, растворители, органические кислоты, тяжелые спирты и другие промежуточные материалы для химической промышленности.
Важно отметить, что в процессе разработки первого поколения технологии GTL Фишер и Тропш разработали большинство конструктивных принципов, которые используются в современных реакторах.
После капитуляции Германии во Второй мировой войне многие эксперты в области производства эрзац-топлива перебрались в Южно-Африканский Союз (позднее Южно-Африканская Республика). В этой стране, как и в Германии, были значительные запасы угля, но не было собственных нефтяных месторождений.
Чтобы обеспечить экономическую безопасность в условиях напряженных международных отношений, вызванных политикой апартеида, была запущена программа исследований и строительства заводов по производству синтетического топлива. В результате появилась компания Sasol, которая сегодня является крупнейшим игроком на рынке технологий GTL и CTL (conversion of coal into liquid fuel — «уголь в жидкость»).
Таким образом, и второе поколение технологии Фишера — Тропша тоже развивалось не по экономическим, а по политическим соображениям, хотя сама технология существенно продвинулась вперед.
В ЮАР учёные начали применять литой железный катализатор и сложные реакторы с кипящим слоем. В этих реакторах синтез-газ пропускали через катализатор снизу вверх, и он кипел в многофазной среде. Это позволило эффективно отводить тепло, что было проблемой при увеличении производительности реакции Фишера — Тропша. Однако возникала необходимость в отделении полезного продукта. Второе поколение технологии давало меньше побочных продуктов, но его применение всё ещё не имело значительного экономического обоснования.
В октябре 1973 года Организация стран-экспортёров нефти (ОПЕК) прекратила поставки нефти государствам, поддерживающим Израиль. Это решение привело к резкому росту цен на нефть и дефициту топлива в Европе и США. Хотя ситуация вскоре стабилизировалась, западные страны осознали необходимость обеспечения национальной энергетической безопасности. Одним из предложенных решений стало развитие производства синтетической нефти.
Крупнейшие нефтяные гиганты, такие как Exxon, Mobil, Conoco, Chevron, BP, Total, Statoil и Shell, стремились внедрить передовые технологии. Их внимание привлекал природный газ, который перерабатывался проще, чище и стоил дешевле.
Новая технология GTL третьего поколения снова использовала кобальтовый катализатор. Химики усовершенствовали процесс, повысив его селективность и сократив количество побочных продуктов. Ключевым достижением стало увеличение полимеризации, что приводило к образованию длинных молекул углеводородов, включая высокоплавкие воски. Однако побочные продукты всё же оставались, их число превышало десять.
Разработка технологии четвертого поколения была инициирована Катаром, одним из крупнейших мировых производителей сжиженного природного газа. Катарские заводы начали преобразовывать газ в нефть для ее последующего экспорта в виде нефтепродуктов.
В связи с этим возникла необходимость создания технологии четвертого поколения. Основная цель заключалась в уменьшении минимального размера производства синтетического топлива, что позволило бы строить небольшие заводы в удаленных регионах без большого числа сотрудников и с минимальным образованием побочных продуктов.
На данный момент удалось разработать катализатор, представляющий собой композитные гранулы из активного металла. Эти гранулы обеспечивают производство легкой синтетической нефти с производительностью, в четыре раза превышающей предыдущие показатели. При этом синтетическая нефть получается без побочных продуктов и не требует дополнительной переработки восков.
Как видим, процесс производства нефти и нефтепродуктов из других твердых и газообразных углеродов/углеводородов вполне возможен. Только сложен и дорог, обладает гораздо меньшим EROEI, и в обозримом будущем не станет заменой природной нефти. Возникает резонный вопрос –
А почему же процессы по его созданию не останавливаются?
Есть ряд причин:
1. Геополитические. Китай. Австралия, ЮАР, Индия - это большие страны, которые нуждаются в нефти, но запасы ее невелики или труднодоступны. Но имеются значительные запасы угля и газа. Чтобы уменьшить зависимость от внешних поставщиков, часть нефти синтезируется
2. Газ, добываемый в таких местах, как Ямал, Сахалин, Аляска, Катар, Иран, Туркмения и Австралия, проходит значительные расстояния до конечного потребителя. Для его транспортировки используются огромные трубопроводы, газоперекачивающие станции, терминалы для сжижения газа и флот газовозов. Вся эта инфраструктура требует огромных затрат. Для многих проектов расходы на транспортировку могут сделать их нерентабельными. Одним из решений этой проблемы может стать получение синтетической нефти из газа. Жидкое топливо, которое удобнее и дешевле хранить, перевозить и распределять, ценится в несколько раз выше, чем газ. Однако не факт, что этот процесс окажется более дорогим, чем транспортировка газа в сухом или жидком виде.
3. Проблема утилизации попутного газа остается актуальной. Ранее я уже писал, что ежегодно сжигается до 140 миллиардов кубических метров этого ресурса. Однако с помощью технологии GTL из попутного газа можно производить нефть, которую можно транспортировать полученную смесь по существующим нефтепроводам.
Кроме того, применение технологии GTL способствует увеличению общего дебита месторождения, что напрямую зависит от объема сжигаемого попутного газа. Это, в свою очередь, улучшает экономические показатели добычи.
4. Технологические и экономические аспекты. Синтетическая нефть представляет собой чистое бессернистое топливо, в отличие от природной нефти, которая имеет сложный состав и множество нежелательных примесей.
Искусственная нефть содержит значительно меньше примесей, особенно полученная из газа, что облегчает её переработку. Синтетическое топливо, полностью очищенное от примесей, при сгорании в двигателе выделяет только углекислый газ и воду. Это топливо совместимо с любыми дизельными и бензиновыми двигателями, а также с существующей инфраструктурой транспортировки и распределения на АЗС.
Кроме того, именно искусственная нефть - это основа высококачественных машинных масел, на настоящий момент это основная сфера ее применения на практике
PS. В следующей теме по нефтегазу будет рассмотрен вопрос, почему нефть далеко не всегда приносить процветание стране на примере Нигерии. Это будет очень большая и обстоятельная статья.