Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана Кафедра поршневых двигателей (Э2) Топлива на основе горючих сланцев и битуминозных песков к.т.н. Зеленцов А.А. Москва, 2016 Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана Кафедра поршневых двигателей (Э2) Топлива на основе горючих сланцев и битуминозных песков Вопросы, рассматриваемые на лекции Виды, эксплуатационные свойства, проблемы производства топлив на основе горючих сланцев. Сланцевый газ как топливо для поршневых двигателей. Примеры использования горючих сланцев как топлива в поршневых двигателях. Битуминозные пески как источник топлива для поршневых двигателей. Дополнительная литература: Перспективные автомобильные топлива: Пер. с англ. – М.: Транспорт, 1982. – 319 с. 2 Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана Кафедра поршневых двигателей (Э2) Топлива на основе горючих сланцев и битуминозных песков Сырьевые ресурсы для получения СЖТ Синтетические жидкие топлива (СЖТ) Попутный нефтяной газ Природный газ Горючие сланцы Каменный и бурый уголь Битуминозные пески 3 Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана Топлива на основе горючих сланцев и битуминозных песков Кафедра поршневых двигателей (Э2) Горючие сланцы как топливо для поршневых двигателей Определение: горючие сланцы – это осадочная горная порода органического происхождения, в которой неорганическая составляющая преобладает над органической, называемой керогеном. Состав: в сухом веществе горючих сланцев содержится 50-80% неорганических веществ и 20-35% керогена (иногда до 50%). Характеристика керогена различных видов горючих сланцев Показатель Элементный состав, % углерод....................... водород...................... кислород.................... сера............................. Низшая теплота сгорания, МДж/кг Выход смолы полукоксования (лаб. данные), % Выход летучих в-в (в расчете на горючую массу), % Кероген сапропелитовых сланцев Кероген гумитосапропелитовых сланцев 75-78 9-10 10 1,5-1,7 60-70 7-8 до 20 8-11 14,6-16,7 < 14 ≥ 50 30-35 70-80 70-80 4 Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана Топлива на основе горючих сланцев и битуминозных песков Кафедра поршневых двигателей (Э2) Горючие сланцы как топливо для поршневых двигателей Мировые запасы горючих сланцев 5 Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана Кафедра поршневых двигателей (Э2) Топлива на основе горючих сланцев и битуминозных песков Способы добычи горючих сланцев Добыча сланцев открытым способом (Башкортостан, Южно-Уральский бассеин) Добыча сланцев закрытым способом (термическое разложение при T < 900 °С, технология EPICC) 6 Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана Кафедра поршневых двигателей (Э2) Топлива на основе горючих сланцев и битуминозных песков Схемы термической переработки горючих сланцев Горючие сланцы Полукоксование (Tреакции = 450-550 °С) смола (10-30%); газовый бензин (1,0-1,5%); вода; горючие газы. Высокотемпературное коксование (Tреакции = 950-1000 °С) Термическое растворение твердых топлив бытовой газ (350-400 м3/т с Hu = 15,9-17,6 МДж/кг); газовый бензин (10 кг/т); смола (≈ 50 кг/т). сырой бензин (10,6%); зольный экстракт (82,5%). • • • • растворители; антисептики; синтетические смолы; дорожный битум и т.д. 7 Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана Кафедра поршневых двигателей (Э2) Топлива на основе горючих сланцев и битуминозных песков Термическое растворение угля и горючих сланцев Твердое топливо (уголь, горючие сланцы) Схема I Схема II Термическое растворение Дистилляция Регенерированный растворитель Фильтрование Вода, газ, сырой бензин Зольный экстракт Регенерированный растворитель Твердый зольный остаток Беззольный экстракт 8 Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана Кафедра поршневых двигателей (Э2) Топлива на основе горючих сланцев и битуминозных песков Термическое растворение угля и горючих сланцев Процесс термического растворения позволяет переводить от 60 до 90% органической массы каменных углей (ОМУ) и горючих сланцев (ОМС) в газообразные и жидкие продукты. Параметры лабораторной установки Тип: проточная Объем реактора: 3 л Температура: 410-430 °С Давление: ≈ 5 МПа Растворитель: дистиллятные продукты Целевой продукт: беззольный высококипящий экстракт или экстракт, содержащий нерастворившуюся органическую массу твердого топлива и его минеральную часть Зависимость выхода жидких продуктов (органического вещества, ОВ) от температуры реакции при различных давлениях растворителя: 1 – 5 МПа, 2 – 10 МПа, 3 – 15 МПа 9 Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана Кафедра поршневых двигателей (Э2) Топлива на основе горючих сланцев и битуминозных песков Термическое растворение угля и горючих сланцев Выход продуктов термического растворения углей в присутствии дистиллятного растворителя, содержащего донор водорода, и катализатора Бурый уголь Каменный уголь 1,3 1,0 экстракт с Tкип > 330 °С 56,7 52,7 сырой бензин с Tкип до 200 °С 4,6 3,0 газ 6,0 4,3 реакционная вода 2,0 1,0 нерастворившийся твердый остаток 32,0 40,0 Наименование Расход водорода *, % Выход, % (масс.) на органическую массу угля Примечание: * водород передан углю от донора водорода. 10 Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана Кафедра поршневых двигателей (Э2) Топлива на основе горючих сланцев и битуминозных песков Схемы термической переработки горючих сланцев Схема установки для сухой перегонки горючего сланца с сжиганием газа На схеме: 1 – газовое уплотнение; 2 – дисковый питатель; 3 – реторта; 4 – смесительная камера; 5 – электростатический смеситель; 6 – центробежный сепаратор; 7 – воздуходувка. Зоны: А – охлаждения продуктов распада керогена; B – сухой перегонки; C – сжигания газа; D – теплообмена 11 Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана Кафедра поршневых двигателей (Э2) Топлива на основе горючих сланцев и битуминозных песков Схемы термической переработки горючих сланцев Схема процесса TOSCO II 12 Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана Кафедра поршневых двигателей (Э2) Топлива на основе горючих сланцев и битуминозных песков Схемы термической переработки горючих сланцев Свойства сланцевой смолы, полученной в процессе TOSCO II и обычной нефти 13 Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана Кафедра поршневых двигателей (Э2) Топлива на основе горючих сланцев и битуминозных песков Схемы термической переработки горючих сланцев Для снижения вязкости и повышения качества сланцевой смолы применяют: висбрекинг (умеренный крекинг), каталитическую гидроочистку смолы, фракционирование. 14 Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана Кафедра поршневых двигателей (Э2) Топлива на основе горючих сланцев и битуминозных песков Схемы термической переработки горючих сланцев 2,326∙1014 Вт/ч 1,163∙1014 Вт/ч 2,326∙1014 Вт/ч 1,745∙1014 Вт/ч 1,163∙1014 Вт/ч Сооружение шахты, 1,3∙106 долл. Эксплуатация шахты, 4,6∙106 долл. Сооружение установки, 15∙106 долл. Катализаторы и хим. вещества, 2,9∙106 долл. Обслуживание и эксплуатация, 3,4∙106 долл. Камерностолбовая добыча Горючие сланцы 362,9∙1014 Вт/ч Ретортная установка сухой перегонки и переработки полученного сырья Дизельное топливо 2,326∙1014 Вт/ч Годовые энергетические затраты на сооружение и эксплуатацию комплекса по добыче горючих сланцев, их сухой перегонке и переработке полученного сырья Синтетическое топливо 278∙1014 Вт/ч Электроэнергия (100 МВт) 8,141∙1014 Вт/ч 30,24∙1014 Вт/ч 15 Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана Кафедра поршневых двигателей (Э2) Топлива на основе горючих сланцев и битуминозных песков Синтетическое топливо из сланцевой смолы Параметры Фракционный состав 10% объемных 20% 50% 90% Конец кипения, °С Октановое число по исследовательскому методу Содержание фактических смол, мг/100 мл Содержание х 104, в % по массе: серы азота Температура вспышки, °С Температура застывания, °С Плотность, кг/л Вязкость в сантистоксах при 37,8 °С Цетановое число Низшая теплота сгорания, МДж/кг Бензин Дизельное топливо Реактивное топливо 54,4 64,4 101,7 163,3 196,1 204,4 209,4 216,7 242,8 269,4 191,1 197,2 216,7 250,0 270,0 82 - - 2,8 - - 30 - 100 141 86,7 -17,8 0,8160 13 60,0 -32,2 0,8063 - 1,66 48 - - - 42,2 Свойства синтетических моторных топлив, полученных из сланцевой смолы методом сухой перегонки 16 Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана Кафедра поршневых двигателей (Э2) Топлива на основе горючих сланцев и битуминозных песков Синтетическое топливо из сланцевой смолы Метод чистого энергетического анализа Цель: оценка энергетической эффективности производства синтетических топлив из сланцевой смолы Эисточника Этоплива Процесс преобразования энергии Эпродукта Эматериала Структурная схема «чистого» энергетического коэффициента Здесь: Эисточника – количество энергии, содержащееся в первичном его источнике; Этоплива – энергосодержание топлива, использованного для добычи первичного источника энергии; Эматериала – количество энергии материалов, использованных в процессе сооружения завода, на котором при переработке сырья производится топливо; Эпродукта – энергосодержание полученного продукта – топлива. 17 Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана Кафедра поршневых двигателей (Э2) Топлива на основе горючих сланцев и битуминозных песков Синтетическое топливо из сланцевой смолы Метод чистого энергетического анализа (продолжение) «Чистый» энергетический коэффициент: К= Эпродукта Эисточника − Эпродукта + Этоплива + Эматериала Значения «чистых» энергетических коэффициентов для различных видов топлива Сырье и способ получения Горючие сланцы Уголь из штата Иллинойс Уголь из штата Вайоминг Метанол Синтетическая нефть 2,3 1,8 1,5 - Продукт 1,7 1,1 1,1 0,59 18 Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана Кафедра поршневых двигателей (Э2) Топлива на основе горючих сланцев и битуминозных песков Синтетическое топливо из сланцевой смолы Физико-химические свойства топлив из горючих сланцев Примечание: «-» - свойства не определялись. 19 Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана Кафедра поршневых двигателей (Э2) Топлива на основе горючих сланцев и битуминозных песков Синтетическое топливо из сланцевой смолы Физико-химические свойства топлив из горючих сланцев (продолжение) Примечание: «-» - свойства не определялись. 20 Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана Кафедра поршневых двигателей (Э2) Топлива на основе горючих сланцев и битуминозных песков Синтетическое топливо из сланцевой смолы Зависимость приведенного удельного эффективного расхода топлива ge пр от относительной эффективной мощности Ne и сорта топлива для различных дизелей: 1 и 2 – нефтяное и сланцевое ДТ (дизель 4Ч14,5/20,5); 3 и 4 – нефтяное и сланцевое ДТ (дизель 1Ч8,5/11 при Ne ном= 3,67 кВт); 5 и 6 – нефтяное ДТ и легкая фракция сланцевой смолы (дизель 1Ч8,5/11 при Ne ном= 5,15 кВт); 7 и 8 – нефтяное ДТ и легкая фракция сланцевой смолы (дизель 4ЧН10,5/13 при Ne ном= 29,41 кВт) 21 Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана Кафедра поршневых двигателей (Э2) Топлива на основе горючих сланцев и битуминозных песков Синтетическое топливо из сланцевой смолы Зависимости максимального давления впрыскивания pфmax , его продолжительности φвпр, периода задержки воспламенения τi, максимального давления сгорания pz, скорости нарастания давления dp/dφ, приведенного удельного эффективного расхода топлива ge пр и температуры ОГ tОГ от эффективной мощности Ne дизелей 4Ч17,5/24 (а) и 4Ч18/26 (б): 1 – ДТ; 2 – смесь 50% ДТ и 50% СЖТ из сланцевой смолы; 3 – смесь 25% ДТ и 75% СЖТ; 4 – СЖТ 22 Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана Кафедра поршневых двигателей (Э2) Топлива на основе горючих сланцев и битуминозных песков Синтетическое топливо из сланцевой смолы Выводы: 1) Бензин из сланцевой смолы удовлетворяет всем требованиям, предъявляемым к моторным топливам, за исключением стабильности к окислению (минимальный индукционный период - менее 360 мин, должен быть равен 480 мин). 2) Устранение этого недостатка может быть достигнуто дополнительной гидрогенизацией в более жестких условиях. 3) Синтетическое топливо для авиационных газовых турбин удовлетворяет соответствующим требованиям, за исключением несоответствия по температуре начала кристаллизации и Hu. 4) Получение синтетического топлива из горючих сланцев обходится дороже, чем производство современных топлив из нефти. 23 Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана Топлива на основе горючих сланцев и битуминозных песков Кафедра поршневых двигателей (Э2) Сланцевый газ как топливо для поршневых двигателей Сланцевый газ (природный) (Natural shale gas) - природный газ, добываемый из сланца. Состав, %, компонентов: H2 – 25…40; CH4 – 14…17; CO – 10…20; CO2 – 10…20; C2H4 и др. углеводы – 4…5; N2 – 22…25; O2 – не более 1 %. Основные свойства сланцевого газа Показатель Плотность, кг/м3 Данные показателя 0,7–0,9 Низшая теплота сгорания, МДж/м3 12,6–14,3 Температура газокислородного пламени, °С 2000 24 Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана Топлива на основе горючих сланцев и битуминозных песков Кафедра поршневых двигателей (Э2) Сланцевый газ как топливо для поршневых двигателей 25 Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана Топлива на основе горючих сланцев и битуминозных песков Кафедра поршневых двигателей (Э2) Сланцевый газ как топливо для поршневых двигателей Метод гидроразрыва пласта Метод горизонтального бурения 26 Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана Топлива на основе горючих сланцев и битуминозных песков Кафедра поршневых двигателей (Э2) Сланцевый газ как топливо для поршневых двигателей 27 Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана Топлива на основе горючих сланцев и битуминозных песков Кафедра поршневых двигателей (Э2) Сланцевый газ как топливо для поршневых двигателей Ограничения для добычи сланцевого газа в Европе Геология Месторождения сланцевого газа в Европе находятся на ранней стадии освоения и пока еще плохо изучены с точки зрения геологии и себестоимости добычи Сложность получения лицензии Доступ Доступ к земле затруднен из-за высокой плотности населения Правами на разработку полезных ископаемых владеет государство Экология Экономика Интенсивное нарушение целостности недр Европейские компании не обладают американскими технологиями по добыче нетрадиционного газа Загрязнение растворами для ГРП водоносных пластов Затраты на освоения месторождения в Европе могут превышать американский уровень почти в 4 раза Отсутствие правовой и налоговой базы для нетрадионных источников газа Источник: E.ON, Wood Mackenzie 28 Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана Топлива на основе горючих сланцев и битуминозных песков Кафедра поршневых двигателей (Э2) Сланцевый газ как топливо для поршневых двигателей Экономика добычи сланцевого газа в США и Европе США Цена на газ выше $4/МБТЕ делает добычу сланцевого газа конкурентоспособной Европа Согласно оценкам, для того, что бы начался сланцевый бум в Европе цена на газ должна быть не менее $10/ МБТЕ По некоторым оценкам точка По самым оптимистичным оценкам безубыточности добычи сланцевого точка безубыточности добычи газа на некоторых месторождениях сланцевого газа достигается при цене достигается при цене $3/МБТЕ $6/МБТЕ в Венгрии и $10/МБТЕ в Польше Решения об инвестировании и добычи Текущие спотовые цены на газ имеют очень маленький временной составляют около $5.5/МБТЕ лаг Примечание: БТЕ (BTU) – британская термическая единица (BTU), 1 баррель нефти содержит 5,825·106 BTU Источник: E.ON, Wood Mackenzie 29 Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана Топлива на основе горючих сланцев и битуминозных песков Кафедра поршневых двигателей (Э2) Сланцевый газ как топливо для поршневых двигателей 30 Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана Топлива на основе горючих сланцев и битуминозных песков Кафедра поршневых двигателей (Э2) Примеры использования горючих сланцев как топлива в поршневых двигателях Газопоршневые электростанции без утилизации тепла АП200, мощность 2х200 кВт На схеме: 1- газопоршневая электростанция; 2- фильтр-влагоотделитель; 3- фильтр тонкой очистки; 4- бойлер (охладитель газа;) 5- вентилятор; 6- газогенератор. 31 Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана Топлива на основе горючих сланцев и битуминозных песков Кафедра поршневых двигателей (Э2) Примеры использования горючих сланцев как топлива в поршневых двигателях Обозначение Электрическая мощность, кВт Тепловая мощность, кВт Расход топлива не более, кг/ч Газопроизводительность, м3/ч ГЭК-0,01 3,0 10 4,0 13,0 ГЭК-0,1 30 100 40 130 ГЭК-0,3 100 300 125 330 ГЭК-0,6 200 600 250 660 ГЭК-1,0 350 1000 400 1300 Типы топлива: брикетированные продукты деревообработки; брикетированные отработанные продукты сельского хозяйства (растениеводства, животноводства и переработки), солома, лузга подсолнечника, риса, льняная костра, початки кукурузы и подсолнечника, шелуха зерновых культур, обезвоженный помет и навоз и т.д. каменный и бурый уголь, сланцы, торф; брикетированные и обезвоженные осадки иловых полей, очистных сооружений. 32 Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана Топлива на основе горючих сланцев и битуминозных песков Кафедра поршневых двигателей (Э2) Примеры использования горючих сланцев как топлива в поршневых двигателях Газопоршневые электростанции GE Jenbacher (Австрия) Тип силовой установки: газопоршневой, газодизель Мощность: 250 кВт…4МВт Общий КПД: до 90% Тип топлива: природный газ; попутный нефтяной газ; шахтный газ; коксовый газ; пропан-бутановая смесь и т.п. Срок эксплуатации: 22-25 лет 33 Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана Топлива на основе горючих сланцев и битуминозных песков Кафедра поршневых двигателей (Э2) Битуминозные пески как источник топлива для поршневых двигателей Битуминозные пески - горючее полезное ископаемое, органическая часть которого представляет собой природный битум. Классификация битуминозных песков: богатые или интенсивные (более 10% по массе битума); средние (5-10%); тощие (до 5%). Основные месторождения: Альберта (Канада) – 1,7 трлн. баррелей; Ориноко (Венесуэла) – 2,0 трлн. баррелей*. * Мировые запасы нефти на начало 2006 г. оценивались в 1,1 трлн. баррелей. Битуминозные пески Атабаски (Альберта, Канада) 34 Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана Битуминозные пески как источник топлива для поршневых двигателей Основные свойства битумов, извлекаемых из битуминозных песков Параметр Значение параметра Плотность, кг/м3 Кинематическая вязкость при 40°C, м2/с Состав S N Fe V Ni Зольность, % Содержание фракций, выкипающих при температуре 195-345 °C > 345 °C 970 3∙10-3 1 м3 песков Атабаски 159 л битума 3,8 0,6 0,044 0,02 0,06 0,7 13 87 Коксование Топлива на основе горючих сланцев и битуминозных песков Кафедра поршневых двигателей (Э2) 135 л синтетического жидкого топлива 15,6 м3 газа 15 кг кокса 5,9 кг сера 35 Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана Топлива на основе горючих сланцев и битуминозных песков Кафедра поршневых двигателей (Э2) Битуминозные пески как источник топлива для поршневых двигателей Схема добычи битума (нефти) из залежей битуминозных песков путем закачки горячего водяного пара в пласт Достоинства и недостатки добычи битума из битуминозных песков Достоинства 1. Огромные запасы нетрадиционной нефти в битуминозных песках, превышающие мировые запасы традиционной нефти. 2. Широкое применение продуктов переработки не только в качестве топлива, но и в химической промышленности. Недостатки 1. Открытая добыча возможна только ≈ 20% всех запасов битумных песков, остальные залегают на глубинах 1,5-3,0 км. 2. Только 10-15% (по массе) битума получается при переработке извлеченных битумных песков. 3. Значительный ущерб экологии: большое количество ядовитых шлаков; химикаты, подающиеся в пласт и использующиеся для разжижения битума после его извлечения. 4. Высокая стоимость результирующего сырья: технология становится выгодной только при ценах на нефть > 110 долл. США/баррель 36 Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана Кафедра поршневых двигателей (Э2) Топлива на основе горючих сланцев и битуминозных песков Синтетическое топливо из битуминозных песков Физико-химические свойства топлив из битуминозных песков Примечание: «-» - свойства не определялись. 37 Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана Кафедра поршневых двигателей (Э2) Топлива на основе горючих сланцев и битуминозных песков Синтетическое топливо из битуминозных песков Зависимость удельных массовых выбросов окидов азота eNOx, углеводородов eCHx, монооксида углерода eCO и дымности ОГ Kx от эффективной мощности Ne дизеля типа 6466A фирмы John Deere, работающего на ДТ марки D-2 (1), смеси 57% СЖТ из угля и 43% топлива D-2 (2), СЖТ из сланцев (3) и нефтеносных песков (4) на режиме с n = 2200 мин-1 38 Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана Кафедра поршневых двигателей (Э2) Топлива на основе горючих сланцев и битуминозных песков Спасибо за внимание! Разработка битуминозных песков (Альберта, Канада) 39
