Технология GTL избавляет от страха, что нефть закончится

Технология, разработанная немецкими химиками, была совершенно прикладной. Она оказалась весьма полезна в бедной нефтью, но богатой углем Германии: в начале 1940-х годов процесс Фишера-Тропша активно использовался уже на двух десятках заводов. К 1943 году они выдавали 124 000 баррелей синтетического топлива ежедневно, обеспечивая 92% объема авиационного топлива (и 57% общего объема топлива всех видов), что делало подобные предприятия одной из основных целей бомбардировок войск союзников.

После войны союзники, к которым попали документы и специалисты по технологии синтеза, стали экспериментировать с получением синтетических углеводородов, однако до коммерческого применения не дошло — обнаружение огромных запасов нефти на Ближнем Востоке в начале 1950-х сделало эту технологию нерентабельной.

«О процессе Фишера-Тропша вспомнили в 1973 году, когда нефтяной кризис резко повысил цены на нефть, — говорит Эндрю Хефер, вице-президент по маркетингу смазочных материалов концерна Shell. — Тогда в мире резко возрос интерес к альтернативным технологиям получения различных углеводородов, и химики многих компаний занялись этим вопросом. Концерн Shell совершенствовал синтез Фишера-Тропша на протяжении десяти лет, пока не появилась ясность, что эта технология может стать коммерчески выгодной. В 1983 году в Амстердаме было построено опытное производство, где химики получили возможность масштабных экспериментов, а в 1993-м открылся первый коммерческий завод концерна в Бинтулу (Малайзия), выпускающий 12 500 баррелей жидких синтетических углеводородов в день. А в 2006 году концерн Shell приступил к строительству самого большого в мире завода по производству синтетических углеводородов из природного газа, Pearl GTL в Катаре, который вступил в строй три года назад».

Завод производит нафту, нормальные парафины, базовые смазочные масла, керосин (авиационное топливо) и газойль (дизельное). Конечно, все эти соединения можно получить и из нефти, но синтез из газа имеет ряд серьезных преимуществ. Во-первых, чистота синтетических углеводородов может быть намного выше минеральных, которые довольно сложно очищать от вредных примесей. «Получаемые в результате синтеза на установках Pearl GTL углеводороды столь чисты, что, например, парафины разрешено использовать в пищевой, косметической и фармацевтической промышленности», — поясняет Хефер.

Во-вторых, разведанные мировые запасы газа превышают запасы нефти (по массе) более чем в десять раз, так что даже если человечество исчерпает запасы «черного золота», всегда есть вариант перехода на синтетические заменители топлива, масел и сырья для производства различных пластиков. В частности, на Pearl GTL синтезируют авиационное топливо, которое используется (наряду с минеральным) для заправки авиалайнеров Qatar Airways.

«Технология Shell Middle Distillate Synthesis (SMDS) основана на процессе Фишера-Тропша, которому почти сто лет, — объясняет Иэн Шеннон, руководитель отдела исследований и разработок моторных масел концерна Shell. — Тем не менее химики концерна потратили несколько десятилетий на усовершенствование этой технологии, получив при этом более 3500 патентов. Одна из ключевых деталей — катализаторы, состоящие из очень мелких частиц различных металлов, таких как кобальт, никель, железо и др., хотя точный состав их держится в строжайшем секрете. Чем эффективнее катализатор, тем больше выход конечного продукта синтеза. У нас есть огромный опыт производства синтетических углеводородов в Бинтулу, и наши инженеры постоянно экспериментируют с новыми катализаторами на опытном заводе в Амстердаме». Сами катализаторы для промышленного производства изготавливает компания Criterion, входящая в состав концерна Shell.

Реакторы синтеза, которых на заводе Pearl GTL 24 штуки, содержат десятки тысяч трубчатых каналов. Каждый канал заполнен гранулами пористого наполнителя, в котором находятся частицы катализатора (суммарная площадь поверхности катализатора огромна — она в 18 раз превышает площадь государства Катар). На опытном производстве используются точно такие же трубчатые каналы, но в гораздо меньшем количестве — достаточно одной трубы, чтобы смоделировать реакцию. Такая конструкция дает возможность легко масштабировать происходящие процессы путем увеличения количества труб.

Весь процесс синтеза жидких углеводородов из газа в варианте Shell выглядит следующим образом. Природный газ поступает с офшорного месторождения «Северное поле», запасы которого оцениваются в 25 трлн кубометров (это примерно 15% мировых запасов). На входе от главной составляющей газа, метана, отделяют основные примеси — серу, газовый конденсат (жидкие фракции) и этан. После этого из смеси природного газа и кислорода, который получают здесь же, на заводе Pearl GTL, при температуре около 1500 °C изготавливают синтез-газ — смесь моноксида углерода и водорода. В процессе изготовления синтез-газа выделяется много тепла и образуется много пара, который в дальнейшем используется для вращения турбин генераторов и получения электроэнергии.

На втором этапе синтез-газ подается в реактор синтеза, где в присутствии катализатора молекулы объединяются в длинные углеводородные цепочки. На выходе этого этапа в качестве основного продукта синтеза получаются длинные предельные углеводороды — парафины. Почему именно парафины? Дело в том, что эффективность конверсии метана вот в такие длинные углеводородные цепи выше. К тому же это удобно с точки зрения конечных продуктов — длинные молекулы несложно разрезать на участки контролируемой длины. Во время синтеза выделяется много тепла, а в качестве побочного продукта образуются водяной пар (его направляют крутить турбины) и вода.

На третьем этапе парафины подвергаются гидрокрекингу (присоединению водорода и расщеплению), в процессе которого длинные молекулы расщепляются на более короткие, а также изомеризации. В зависимости от условий реакции (температура, давление) можно получать самые разные фракции углеводородов — на заводе Pearl GTL это нафта, нормальные парафины, авиационный керосин, газойль (дизтопливо) и изопарафины.

Среди всех получаемых химических соединений особый интерес представляют изопарафины, молекулы которых, помимо длинных прямых углеводородных цепочек, имеют короткие боковые ответвления. «Такая форма молекул придает им уникальные свойства, в частности очень высокий индекс вязкости (то есть вязкость мало зависит от температуры), — говорит Боб Сазерленд, директор по технологиям семейства моторных масел Shell Helix. — Благодаря этому изопарафины представляют собой великолепную основу для самых современных базовых моторных масел. По своим качествам изопарафины ничем не уступают признанному лидеру рынка синтетических моторных масел — полиальфаолефинам, ПАО. А по некоторым свойствам изопарафины даже лучше. ПАО изготавливают путем химического синтеза из этилена, причем количество его очень сильно ограничено. А завод Pearl GTL имеет производительность по изопарафинам в миллион тонн в год!» Моторные масла семейства Shell Helix Ultra с технологией PurePlus Technology, в основе которых лежат изопарафины, могут иметь очень низкую вязкость — SAE 0W30, 0W20, рекордно низкую на сегодняшний день 0W16 или даже экспериментальную 0W10. Такие показатели связаны с оптимизацией для экономии топлива — некоторые варианты обеспечивают до 3% экономии. Но этим достоинства Shell PurePlus Technology не исчерпываются: к сильным сторонам таких масел можно отнести стойкость к окислению при высоких температурах, меньшее испарение в двигателе, а также прекрасные моющие свойства (в сочетании с фирменной системой Shell Active Cleansing Technology), позволяющие поддерживать двигатель, как говорит Боб Сазерленд, не просто чистым, а «в состоянии нового». Но, вероятно, главное достоинство разработанной концерном Shell технологии GTL — это то, что она способна избавить человечество от страха, в котором оно пребывает последние сто лет. «Теоретически, — говорит Иэн Шеннон, — с помощью нашей технологии можно изготавливать практически любые углеводороды. И это дает ответ на вопрос, что мы будем делать, когда (или если) вдруг закончится нефть».