В. Мордкович: Технология синтетической нефти и топлив

Технологии синтетической нефти и топлив по методу Фишера-Тропша насчитывает скоро уже сто лет своей истории. Тем не менее, эта технология по сей день находится в центре внимания и науки, и бизнеса и продолжает искать своё место под солнцем. 

История полна страстей, интриг и неожиданных поворотов. Все началось 1919-м году, когда берлинские учёные Франц  Фишер и Ханс Тропш открыли, что из так называемого синтез-газа, который получается в процессе переработки углеродсодержащего сырья, можно получать жидкие синтетические углеводороды — так называемую синтетическую нефть или синтетические воски. Главное, делать из газа жидкость. Они же открыли несколько катализаторов, которые в самом общем фундаментальным смысле применяются до сих пор как активные вещества. Любопытно, что несмотря на эпохальность этого открытия ни Франц Фишер, ни Ганс Тропш Нобелевской премии не получили. У меня есть поэтому поводу догадка, что это оттого произошло, что три других немца с такой же фамилией Фишер получили Нобелевскую премию. Расстаться с четвёртой Нобелевской премией для ещё одного Фишера, видимо, оказалось не по зубам нобелевскому комитету.

Итак, то что сделали Фишер и Тропш в то время расценивалось не так как сегодня. Тогда это расценивалось как шанс для угля, потому что именно 20-30-е годы прошлого века эпоха угля стремительно превращалась в эпоху нефти. Появилась дешёвая нефть, пароходы, железные дороги переходили с одного топлива на другое. И вот возможность сделать из устаревающего угля, который являлся одним из достояний Германии, жидкое топливо рассматривалась как шанс для угольной промышленности Германии получить новую жизнь, но так не вышло. Не вышло потому, что уже первое поколение установок, созданное непосредственно Фишером и Тропшем, перешедшим на работу в специальную компанию, показало, что технология не такая простая. 

Во-первых, она очень громоздкая и по площади занимала несколько раз больше места, чем аналогичные перерабатывающие заводы. Во вторых, выяснилось, что катализаторы первого поколения давали огромное разнообразие продуктов. Типичный немецкий завод, которых было построено вместе с иностранными копиями более десяти, давал 74 разных продукта, не только бензин и дизельное топливо. Там были и мыло, и растворители, и специальные реактивы — чего только не было. В общем, целый город. И конкурировать с бензином из нефти это никак не могло. Только в той ситуации, когда нет доступа к этой нефти. 

Именно в эту ситуацию попала предвоенная Германия. И наши с вами деды прекрасно помнят эрзац-бензин и все, что у немцев на нём работало. Как только Германия проиграла войну, эта технология почти совсем ушла в небытие. Хотя образцы были взяты и США (специальный проект по воспроизводству), и Советским Союзом, и последний завод первого поколения прекратил свою работу Новочеркасской Ростовской области только в 1994-м году, правда в уже изрядно модернизированным и с новыми катализаторами. 

Тем не менее, второе дыхание дало процессам Фишера-Тропша состояние, в которое попала Южно-Африканская Республика, куда иммигрировала часть учёных и инженеров проекта синтетического топлива Германии. Из-за своей политики апартеида ЮАР попала в изоляцию. Ей требовалось независимое топливо, и это топливо было получено. 

Специально основанная компания Sasol — южноафриканские нефтяные продукты — и по сей день является одним из мировых лидеров технологии GTL. Они сделали второе поколение установок в 50-е годы. Это второе поколение базировалась на других катализаторах, использовало другие виды реакторов, не такие как в первом поколении, было существенно меньше по размерам, ну и состав продуктов был не такой разнообразный. Тем не менее, по-прежнему прямой конкуренции нефтяному бензину бензин из угля, а вскоре Sasol попробовал и газ, — составить пока не мог. Тогда и выяснилось, что даже сощественные изменения в технологии, внесённые во втором поколении, не смогли преодолеть это главное проклятие и только после того, как экономические характеристики технологии улучшатся и сравняются с тем, что показывают нефтеперерабатывающие заводы, только после этого такие технологии получат шанс на большое развитие. 

Забегая вперёд, скажу, что в четвёртом поколении это удалось. И это один из моментов, которым гордится, как своим достижением, компания «ИНФРА Технологии» — представитель четвёртого поколения. 

Вернёмся тем временем к Южной Африке. В то время как она продолжала оставаться в своей изолированной ситуации, новый внешний, совершенно не имеющий никакого отношения к науке и технологиям, толчок получила эта технология из-за известного нефтяного кризиса 73-го года, когда арабские страны образовали ОПЕК и отказались продавать нефть на запад. Под угрозой дефицита крупные американские, британские, французские корпорации спешно принялись разрабатывать новое поколение установок GTL — уже третье поколение технологии Фишера-Тропша. 

Ирония судьбы заключается в том, что химия — наука медленная. Пока проходила разработка, нефтяной кризис кончился, и поэтому технология увидела свет в начале 90-х годов, когда нефть была доступна и  цена на неё была весьма низкой. Некоторое время технология лежала на полке, пока у двух компаний – Sasol и Shell не хватило смелости в период самых низких цен принять решение о строительстве двух заводов в королевстве Катар. 

Королевство Катар — ещё один пример внеэкономического влияния на судьбу технологии. Катар, напомню, это полуостров, у которого сухопутная граница только с Саудовской Аравией, причем очень маленькая. В Катаре есть газ, но практически нет нефти. Единственный способ продавать свое природное богатство у Катара до постройки заводов GTL был — строить терминалы сжиженного газа и криотанкерами везти внешним потребителям. Это единственный путь, это высокий риск, поэтому эмир Катара принял решение диверсифицировать способы экспорта своего национального достояния. Сегодня в Катаре работает два очень крупных — один из них самый крупный в мире и истории, на 6.000.000 в год, — завода по переработке природного газа синтетическое топливо. 

Что такое третье поколение и чем оно отличается? Третье поколение — это так называемая концепция восков, то есть сначала сырье, также как и в первом и втором поколении (только в третьем это как правило газ, а не уголь), превращается в синтез-газ методами так называемого окислительного риформинга. Этот синтез-газ поступает в реакторы Фишера-Тропша и там превращается в продукт, который при обычных условиях представляет собой твёрдую массу, как свечка, только более твёрдое. Это так называемые воски Фишера-Тропша. Это конечно не топливо. Из этого воска методами гидрокрекинга и изомеризации получают высококачественную синтетическую нефть из неё уже дальше — конечный продукт. 

Должен сказать, что количество продуктов у технологии третьего поколения радикально уменьшалось. Теперь оно составляет от 14 до 34 в разных исполнениях и на разных заводах. Это, конечно, меньше 74 наименований, как было в Германии 30-х, но тем не менее, производить только топливо заводы третьего поколения не могут. Это означает потребность в строительстве дополнительных  цехов, большого количества персонала на них и соответственно требования к размещению. Надо одновременно располагаться там, где есть доступное сырье, то есть вблизи газовых месторождений. Там, где имеется прекрасный транспорт, методы доставки, возможность основать город, довольно приличный для нескольких тысяч работников, и наконец, возможности экспорта. Вот Ближний Восток — и есть одно из таких удачных мест. Другое удачное место — Нигерия, где уже 20 лет пытаются построить ещё один завод, но как-то не двигается.

Технология третьего поколения уже значительно лучше, чем второго, и стоимость производства топлива по ней уже вплотную приблизилась к стоимости топлива производимого из нефти. И в отдельных экономических обстоятельствах может быть даже ниже. Нужен прорыв и это прорыв в четвёртое поколение. Четвертое поколение — это технология без воска, укороченная, технология высокопроизводительнуя, не обремененная большим количеством дополнительных продуктов и ядовитыми выбросами, что является является одной из проблем третьего поколения. Представителями четвёртого поколения, в частности, является компания «ИНФРА Технологии». 

С чем связаны экономические проблемы технологии синтетического топлива?  Они непосредственно вытекают из её же преимуществ. Преимущество заключается в том, что одна тепловая единица 1 ккал жидкого топлива стоит в 3–3,5 раза дороже, чем одна тепловая единица или 1 ккал газообразного топлива. 

Чем это определяется? Тем, что жидкость в отличие от газа можно легко и практически без ограничений хранить. Делить на части, переливать в разные ёмкости, строить дешёвые заправочные пункты и менять в семействах прекрасно разработанных двигателей и других устройств. С газом все намного сложнее, поэтому это соотношение — 3–3,5 раза — оно практически неизменно и более чем 100 лет не меняется. Понятно, однако, что в зависимости от того, насколько дорогая нефть вот это разница, так называемая маржа, между стоимостью тепловой единицы газа и тепловой единицы жидкого топлива, может быть разная, если её выражать в рублях на килограмм или долларах на баррель. Потому что одно дело это процент от $100 на баррель, другое дело — от $20. Поэтому проценты процентами, а с одного и того же синтетического топлива при разных ценах на нефть навар получается разный. Этот навар нужно оправдать. Во-первых, стоимостью вложенных капитальных инвестиций, то есть сколько стоит всё оборудование. Во-вторых, операционными расходами, количеством персонала, дополнительных расходов на ремонт, поддержание замены и так далее. 

Здесь как раз вступает в силу проклятия и недостатки этой технологии. Катализаторы первого поколения очень низкопроизводительные. В общепринятых единицах производительности, которые выражаются в килограммах жидкого продукта с метра кубического реактора в час. Так вот в этих общепринятых единицах производительности около 40, иногда ниже. Это означает, что любой более-менее приличный завод — это, в первую очередь, огромное поле гигантских реакторов. С каждым следующим поколением производительность катализаторов растёт, размеры реактора уменьшаются. 

У третьего поколения это уже 100 и выше — в 2,5 а то и 3 раза лучше третьего поколения. Поэтому в третьем поколении реакторы Фишера-Тропша, хотя по-прежнему являются одной из главных деталей завода, но уже не такой доминирующей, как в первом поколении. 

В четвёртом поколении производительность 300 и более, то есть ещё примерно в три или в четыре раза прибавка происходит. И у завода четвёртого поколения, как, скажем, в первом промышленном предприятии компании «ИНФРА Технологии» блок Фишера-Тропша — это где-то 1/7 площадей всего-навсего. Он маленький. Это проблема уже уходит. Почему на её решение понадобилось более 100 лет? Потому что синтез Фишера-Тропша оказался одной из самых сложных в промышленном осуществлении реакцией в истории химической технологии. 

У химиков обычно принято делить реакции на те, которые протекают в кинетическом режиме, и на те, которые протекают диффузионном режиме. Что важно, скорость реакции и подход молекул к тому месту, где реакция происходит?

Так вот процесс Фишера-Тропша и то, и другое ещё немножко третье и решить это уравнение без тех знаний, которые появились в науке к концу 20-го века, точнее к началу 21-го, по физике процессов переноса, по возможности решать системы сложных уравнений одновременно, по умению учитывать транспорт вязких вещей в порах катализатора по теплоотводу в огромных системах.  Ничего этого не было. Вот когда это появилось, появилась возможность получить четвёртое поколение. И наука это поколение дала.

Владимир Мордкович