ПЕРСПЕКТИВЫ ПОЛУЧЕНИЯ ШИРОКИХ ЛЕГКИХ УГЛЕВОДОРОДНЫХ ФРАКЦИЙ ИЗ ГОРЮЧИХ СЛАНЦЕВ
Горючие сланцы являются источником смеси органических и неорганических составляющих. Органическая часть состоит из высокомолекулярных углеводородов, соответствующих в основном битумным фракциям нефти, имеющим структуру предпочтительно полициклических соединений, связанных между собой алканами с длинными цепями в отличие от высокомолекулярных углеводородов нефтяного происхождения, представляющие структуры конденсированных гетероциклических соединений. Количество горючих сланцев определяется по его основным составляющим, разделяемым при технологическом переделе. В процессе пиролитической переработки горючие сланцы можно будет получить в зависимости от условий проведения процесса в широкую фракцию легких углеводородов; пиролизный газ, составляющий в основном углеводороды метанового ряда с примесями монооксида и диоксида углеводородов, некоторые виды кислородсодержащих соединений, небольшое количество кислых газов, кокса и золу, состоящие в смеси с полиметаллическими оксидами [1;2].
Предварительный анализ горючих сланцев показывает, что органическая часть состоит из элементов; С - углерод, Н-водород, N- азот, O-кислород, S-сера, а неорганической части (после выделения остаточного кокса золы) - смеси оксидов металлов: Al2O3, Fe2O3, CaO, SiO2, MgO и др.
В мире интенсивно развивается тенденция по разработке технологий переработки вторичных и/или альтернативных сырьевых материалов, направленных на получение жидких углеводородных фракций, дополнительных источников получения жидких углеводородов для покрытия потребностей отраслей экономики как по энергоносителям, так и по химическому сырью. В связи с истощением традиционных запасов углеводородного сырья переход на другие источники сырьевых материалов для обеспечения потребности по углеводородным энергоносителям и химическим сырьям являются неотлагательной и первоочередной задачей сегодняшнего дня. Одними из таких материалов являются горючие сланцы, которые могут служить возрастающим интересом к альтернативному источнику для производства моторного топлива.
Месторождения горючих сланцев рассредоточены на всех континентах и регионах нашей планеты. Прогнозные мировые запасы горючих сланцев во много раз превышают известные запасы нефти и газового конденсата.
Горючие сланцы - это комплексное органо-минеральное полезное ископаемое. Промышленную ценность представляют как органическое вещество, так и минеральная масса сланцев. На их базе может быть организовано производство значительного ассортимента топливных и химических продуктов. В настоящее время самым перспективным и нужным направлением считается во всем мире использование сланца, а точнее, органической части. Учитывая, что Узбекистан располагает большими запасами горючих сланцев, полученные топливные фракции на их основе является очень перспективным направлением в этой области. В мировой практике уже имеют место в системе энерготехнологического (топливно-энергетического) комплекса глубокая переработка горючих сланцев в синтетическую нефть и газ на базе экспериментальных полупромышленных установок, которые успешно эксплуатируются на нефтеперерабатывающем заводе г.Нарва (Эстония) со значительной экономической эффективностью.
Реализованы определенные проектно-технологические работы, направленные на квалифицированную переработку горючих сланцев местного происхождения. При успешной реализации собственной разработки можно будет произвести широкую легкую фракцию углеводородов и концентратов ароматических узких фракций углеводородов. Деароматизированные широкие легкие фракции углеводородов могут служить сырьевым материалом для получения бензинов для автомобильного транспорта, отвечающим требованиям «Euro-3» и «Euro-4», что имеют улучшенные эколого-эксплуатационные характеристики. Потому что полномасштабная промышленная реализация проектного предложения, направленная на получение синтетических жидких легких углеводородных фракций позволит в определенной степени обеспечить внутренний рынок энергоносителем с улучшенными экологоэксплуатационными характеристиками.
Химический и компонентный состав изученных местных месторождений горючих сланцев Байсунского месторождения, Сангрунаунского месторождения и Уртабулакского месторождения, имеет нижеследующий качественный и количественный состав, представленный в табл. 1.
Переработка горючих сланцев на газообразные и жидкие углеводородные фракции, наряду с получением горючих газов и жидкой легкой углеводородной фракции, позволит решить задачу охраны окружающей среды от вредных выбросов, имеющих место при непосредственной термической обработки твердых материалов. Кроме того, газообразные продукты, образующиеся при предварительной пиролитической обработке твердых горючих сланцев, могут быть использованы для производства синтетического жидкого топлива, синтеза, углеводородов на основе описи углерода и водорода, синтеза аммиака и метанола (в перспективе как моторное топливо), получения водорода, который в будущем может быть использован как универсальный энергоноситель и ценнейшее химическое сырье.
Газификация органической части горючих сланцев - процесс превращения твердых углеводородов в горючи газы путем частичного окисления кислородом воздуха водяным паром или углекислым газом при высокой температуре, в отличие от коксования, процесс газификации характеризуется превращением всей органической массы твердой углерод/углеводородной массы, исключая потери в газы.
За последнее время по данным МИРЕС в недрах земной коры уменьшаются запасы традиционного углеводородного сырья, т.е. нефти и газа. А при сегодняшних нормах добычи и расходах запасы могут хватить на 30-35 лет. В Узбекистане запасы газа и нефти хватит на 30 лет, в то же время к потенциальным запасам энергоносителей включены горючие сланцы месторождений Бухарской, Навоийской, Самаркандской и Сурхандарьинской вилоятов республики, на базе которой может быть получены газообразные и жидкие углеводороды - энергоносители.
Прогнозируемая ситуация о потенциальных запасах традиционного углеводородного сырья, служит причиной возрастающего интереса к альтернативным сырьевым источникам, как природные сланцы и другим материалам органического происхождения.
Технология, представляющая термическую деструкцию высокомолекулярной части органических веществ, в отличие от аналогичных имеющихся разработок, отличается тем, что при этом во второй стадии термодеструктивного процесса будет иметь вид термокаталитическая технология паровой углеродно-углекислотной конверсии, пользуясь каталитическими свойствами тех металлических оксидов, имеющих место в составе неорганической части горючих сланцев, что составляет каталитическую деструкцию молекул с частичным окислением в присутствии кислорода воздуха в реакционно-технологической зоне реактора. При этом на начальной стадии технологического превращения органической части горючих сланцев получаются низкомолекулярные углеводороды смешанного парафинового и олефинового строения. С повышением температуры реакционно-технологического процесса начинают проявлять свои каталитические свойства смеси оксида металлов, имеющие место в составе сырья, и в присутствии кислорода воздуха, имеющего место в реакционной зоне, начинает протекать технологическое превращение высокомолекулярных циклических углеводородов моно- и полиядерного строения окислительного каталитического пиролиза.
Известно, что с реализацией международных стандартов в Республике Узбекистан при сжигании в двигателях внутреннего сгорания «Euro3» и «Euro4» осуществляется реформа углеводородного состава топливных смесей, являющегося энергоносителем - энергетическим материалом для двигателей внутреннего сгорания, что строго регламентирует содержание ароматических углеводородов в топливной смеси и полностью исключают применение этиловой жидкости, которая в период последних 40 лет являлся гегемоном в списке присадок к топливам, используемым в двигателях внутреннего сгорания.
Решение проблем разработки комплексной сопряженной переработки горючих сланцев предусматривает технологию переработки остаточного углерода в составе неорганической части в газообразное топливо, основанное на газификации.
Создание комплексной пилотной установки будет включать: многофункциональную пиролизную установку, обеспечивающую пиролиз углеводородов и газификации углерода с выработкой окиси углерода СО, Н2 и синтез газа;
Газификацией твердого углерода называется термический процесс, при котором элементарный углерод превращается в горючие газы в присутствии воздуха, водяного пара, углекислого газа и технического кислорода. Этот процесс основан на горении и неполном окислении углерода. Часть углерода сгорает для обеспечения процесса теплом, а часть реагирует с окислителями с образованием водорода, окиси углерода и других газов, состав которых зависит в основном от природы используемой углеродной смеси, состава дутья и скорости его подачи, температуры процесса и аппаратурного оформления. Газификация углеродной массы осуществляется при температурах 600-800оС, что является многоступенчатым гетерогенным физикохимическим процессом. При этом протекают следующие основные первичные реакции углерода с кислородом и водяным паром:
Кроме реакции горения, окисления и конверсии, при газификации углерода в стадии их нагрева образуются продукты пиролиза. Введение катализаторов конверсии влияет на температуру и скорость процесса газификации, а также на состав газов. Например: введение 2% Са(ОН)2 в 10 раз повышает реакционную способность углерода при 650 оС. Газификация твердого углерода расширяет возможности переработки по комплексной технологии горючих сланцев в сфере энергетического и технологического использования на современном научно-техническом уровне, решает задачи охраны окружающей среды от вредных выбросов, имеющих место при непосредственной переработке твердых горючих ископаемых. Органическая масса горючих сланцев имеет наибольшую аналогию с нефтью, однако низкое содержание органики, а также трудности использования огромных количеств минерального остатка длительный период тормозили развитие переработки сланцев. Горючие сланцы в концепции безотходности являются вполне конкурентноспособным сырьем. Учитывая монополизм и коррупцию в сфере нефти и газа, именно комплексная переработка горючих сланцев может стать интересным направлением альтернативного производства.
Уникальный состав горючих сланцев дает возможность применять их не только в качестве энергетического топлива, для получения бытового газа, жидкого топлива и химических продуктов, но и использовать сланцы в иных отраслях промышленности.