США. От добычи нефти к ее производству?

Американцы утверждают, что технология термической деполимеризации способна превращать в нефть и газ чуть ли не все отходы цивилизации

В солидном научном журнале США "Discover" опубликована исключительно интересная и важная статья Брэда Лемли "Все в нефть!"

Речь идет о технологии производства высококачественной нефти и газа, которая была разработана фирмой Changing World Technologies ("Технологии изменяющегося мира") и названа "термической деполимеризацией". Новая технологическая идея реализована при помощи экспериментальной (в Филадельфии), а затем полупромышленной экспериментальной (в штате Миссури) производственной установки. Сырьем для массового производства нефти с использованием упомянутой технологии могут быть, как утверждается в статье, "любые мыслимые отходы" жизнедеятельности населения и производственной деятельности нынешней цивилизации.

С учетом высокой значимости нефти и газа и, в противовес этому, быстрого истощения их природных запасов технология термической деполимеризации представляется в глобальной перспективе судьбоносной.

Суть технологии

Она весьма логична, а цель, безусловно, заманчива даже при непростой реализации. В самом деле, почему бы не попытаться (и такие попытки ранее делались многими учеными) воспроизвести на основе современных знаний природную технологию нашей планеты, создавшую в многотысячелетней эволюции геологических эпох нынешние месторождения нефти. Она представляет собой сложную смесь насыщенных органических соединений углеводородов, которые, согласно распространенной теории, образовались из мертвых органических веществ животного и растительного мира, подвергавшихся воздействию стохастических тектонических сдвигов, повышенных температур и давлений земной коры. В этом природном процессе длинные молекулярные цепочки водорода, кислорода и углесодержащих молекул мертвых биологических тканей, известные как полимеры, разлагались на нефтяные и газовые углеводороды с короткими цепочками.

В установках термической деполимеризации этот процесс многократно ускоряется до реального времени. При точном доведении тепла и давления до необходимых уровней происходит разрыв длинных молекулярных цепочек соединений полимеросодержащих отходов. Последние в таком случае приобретают технологический статус ценного сырья. Причем гораздо более ценного, чем при использовании его в малой доле в различных низкоэффективных технологиях (например, наиболее часто - для сжигания).

Сырье

Процесс ступенчатой термической деполимеризации позволяет превращать в полезные продукты все отходы, кроме металлических и ядерных.

стр. 66

Это, например, бросовые части индюшачьих и куриных потрохов, использованные шины, пластиковые бутылки, картон и бумага, мусор, собираемый с поверхности воды в портах и внутренних водоемов, старые компьютеры (непосредственно их неметаллические компоненты), отходы канализации, сельского хозяйства, производства целлюлозы, зараженные медицинские отходы, заболевшие заразными болезнями скот и домашние животные, "хвосты" нефтепереработки, даже биологическое оружие. Все это начисто уничтожается на молекулярном уровне. "Российский федеральный классификационный каталог отходов" насчитывает около 350 их видов, причем только от производственной деятельности экономики страны.

Наибольший выход нефти (40-74%) достигается из пластмасс, мертвых биологических тканей (включая отстой канализационных вод), тяжелых нефтепродуктов, получаемых в виде отходов современной переработки нефти, из отработавших автомобильных шин и медицинских материалов, в том числе и тех, что содержат инфекционные и вредные вещества.

В конце технологического цикла образуются 4 вида полезных продуктов: высокосортная нефть (наполовину состоящая из бензина), горючий газ, очищенные гранулы неорганических веществ, которые могут быть использованы в качестве топлива, удобрений или специализированных химических веществ (сырье для производства) и дистиллят (см. табл. 1).

История

В 80-х годах активный предприниматель собрал команду из ученых, бывших правительственных чиновников и состоятельных инвесторов для разработки и коммерческого распространения упомянутой технологии. Первоначально она была ориентирована на переработку отходов индюшачьей птицефабрики, и потому близ нее соорудили опытную установку.

Ошибочность первых разработок по получению искусственной нефти заключалась в том, что делалась попытка термохимического преобразования за один этап. Исходный материал подвергался перегреву для удаления всегда присутствующей воды и одновременного разрушения длинных молекулярных цепочек. Это требовало чрезмерного расхода энергии и приводило к загрязнению выходных продуктов. В конце 80-х годов затраты энергии на удаление воды простым испарением были резко снижены использованием технологии так называемого мгновенного вскипания. Она позволила удалять примерно 90% свободной воды, содержащейся в смеси. В 1999 г. построили первую демонстрационную установку. В ней полученный концентрированный раствор подается во вторую ступень для дальнейшего разрыва молекулярных цепей и в следующие ступени для селекции получаемой смеси компонентов.

В зависимости от характера исходного сырья, а также продолжительности варки и спекания технология деполимеризации может перенастраиваться для получения других химических продуктов. Их может быть масса - исходных компонентов для производства мыла, красок, смазок, поливинилхлорида, растворителей и т.д.

Начав с переработки отходов индюшачьих фабрик, специалисты за три последующих года опытов по закладке в технологию различных видов отходов сделали процесс более гибким. Диапазон использованных материалов был значительно расширен - от канализационных отходов до полученных из Японии отработавших компьютеров и холодильников, раздробленных на мелкие части. По словам Брайана Аппеля - председателя правления и главного исполнительного директора вышеупомянутой фирмы, "единственное, что не поддается переработке, - это ядерные отходы... но если они содержат углерод, то мы сможем переработать и их".

Полупромышленная установка в штате Миссури может перерабатывать только 7 т отходов в сутки. Здесь же сооружена первая полномасштабная установка. Ее производительность - переработка в сутки 200 т отходов местной птицефабрики. Будут производиться 10 т газа в сутки (он полностью пойдет на теплообеспечение технологии), 21 тыс. галлонов дистиллята (сливается в канализацию), 11 т неорганических веществ и 600 баррелей нефтепродуктов. Любопытно, что Агентство по охране окружающей среды США отнесло установку не к числу предприятий по переработке отходов, а к обрабатывающей промышленности, т.е. отходы отнесены к прибыльным ресурсам.

Репутация фирмы "Технологии изменяющегося мира" растет. Получена федеральная субсидия на сооружение ряда демонстрационных установок в штатах Алабама, Невада, Колорадо, в Италии. Однако все они предназначаются не для титульного производства (нефти), а скорее, с учетом местных интересов, для переработки органических отходов в другие полезные продукты. Срок пуска - 2005 г. В целом же считается, что диверсификация установок - испытание технологии деполимеризации на живучесть и признание.

Экономика

После того как была решена проблема энергетических затрат на избавление от избыточной воды, энергоэкономический баланс процесса технологии термической деполимеризации стал существенно плюсовым. Для таких сложных отходов, как индюшачьи, тепловой КПД составил 85%. Другими словами, из 100% теплотворной способности влагосодержащего сырья используется только 15%. Для сухого сырья эта эффективность, естественно, больше.

Эксперименты, проведенные на полупромышленной установке, показали, что эта технология допускает разные масштабы производительности. Могут быть созданы установки, перерабатывающие в сутки от тысяч тонн отходов (стационарные) до одной

стр. 67

тонны (подвижные). При этом они будут подстраиваться к специфическим местным видам отходов.

В разработку и реализацию технологии частные инвесторы вложили $40 млн. К финансированию развития технологии подключилась федеральная власть - $12 млн. В упомянутую первую промышленную установку в штате Миссури вложено $20 миллионов.

Головная промышленная установка оценочно будет производить нефть по $15 за баррель. В течение 3-5 лет эта цифра снизится, как ожидается, до $10 за баррель. В среднем технология будет обеспечивать производство высококачественной нефти при затратах $8-12 за баррель. Поскольку оно может быть максимально приближено к местам ее потребления, а значит, расходы на транспортировку сводятся к минимуму, это обеспечит значительно меньшую цену на нефть, чем нынешние цены на мировом нефтяном рынке.

Диверсификация технологии

Итак, процесс термической деполимеризации позволяет преобразовать отходы в нефтепродукты и другие полезные продукты в соотношениях, которые изменяются в соответствии с конкретным видом исходного сырья, поступающего на переработку (см. табл. 1). Однако можно не сомневаться, что частные организации, связанные с углеводородной энергетикой, будут препятствовать коммерческой диверсификации использования термической деполимеризации. Нет сомнения, что этот процесс коснется и соответствующих российских олигархических структур. Если технология позволяет вблизи мест потребления получать высококачественную нефть из отходов, то почему кто-то должен брать на себя нелегкий труд, находясь где-то далеко, выкачивать ее из-под земли?

Термическая деполимеризация позволяет существенно улучшить эксплуатационное качество нефтеперерабатывающей промышленности. Известно, что перегонка нефти неизбежно сопровождается производством отходов в виде тяжелых твердых продуктов, что создает немалую проблему. Но последняя отпадает, если использовать рассматриваемую технологию, которая превращает эти нефтяные "хвосты" в светлую нефть, горючие газы и углерод в виде графита. Это было доказано опытной установкой в Филадельфии, которая перерабатывала тяжелую сырую нефть, горючие сланцы и битуминозные пески. По мнению упомянутого руководителя работ Брайана Аппеля, модифицированная версия процесса термической деполимеризации может использоваться для инжекции пара в подземные отложения битуминозных песков и преобразования их затем на поверхности в светлую нефть. Таким образом, эти имеющиеся в изобилии, но труднодоступные ресурсы становятся значительно более доступными.

Наиболее крупным пользователем технологии из всех видов промышленности, связанных с углеводородным топливом, может стать угледобывающая промышленность. "Мы можем резко повысить степень очистки угля", - заверяет Аппель. Уже сегодня эксперименты показали, что с помощью данной технологии можно извлекать из угля серу, ртуть, тяжелый бензин и олефины - все это продукты, пользующиеся спросом. Тем самым повышается теплотворная способность угля и становится чистым процесс его сгорания. Кроме того, предварительная обработка угля по данной технологии делает его более рыхлым, а значит, требуются меньшие энергозатраты на его измельчение перед сжиганием в котлах. Хотя, заметим, это не избавляет углеводородную огневую энергетику от эмиссии парниковых газов.

Достаточно ли отходов?

Кажущаяся парадоксальной такая постановка вопроса неизбежна, если отходы жизнедеятельности и товарного производства нынешней цивилизации превращаются в ценное сырье. Очевидно, что количество этого сырья должно соответствовать величине нынешнего использования запасов нефти. В противном случае технологии термической деполимеризации будет уготована не более чем вспомогательная судьба - вроде, например, судьбы энергоисточников с возобновляемыми ресурсами (ветроэнергетики, газа из биомасс), предел для которых до 4-6% от масштабов использования сложившихся основных энерготехнологий. Если технология деполимеризации будет работать так, как заявляют ее создатели, то в историю уйдут не только многие проблемы, связанные с большинством видов отходов (в том числе токсичных, опасных), но в конечном счете и проблемы импорта, а значит, и экспорта нефти.

В 2001 г. США импортировали 4,2 млрд. баррелей. Переработка в нефть и газ только сельскохозяйственных отходов США даст,

стр. 68

как сказано в статье Лемли, ежегодный энергетический эквивалент, равный 4 млрд. баррелей. Касаясь необходимости преодолеть зависимость страны от нефти, поступающей с политически неустойчивого Среднего Востока, Р. Джеймс Вулси, бывший директор ЦРУ и консультант компании "Технологии изменяющегося мира", сказал, что "данная технология обещает положить начало такому положению".

Итак, для США всех отходов достаточно. А для мира? Соответствующая оценка была сделана в Институте энерготехники (НИКИЭТ) Минатома РФ.

Текущие разведанные запасы нефти на начало нынешнего века оцениваются в 160 млрд. т. Прирост ее добычи в период до 2020 г. ожидается падающим - в первом десятилетии 2,4% в год, во втором - 1,9% (рост среднегодового темпа добычи в последнем десятилетии прошлого века был равен 2,9%). Это значит, что до 2020 г. потребуется извлечь из недр около 90 млрд. т, т.е. примерно в среднем около 5 млрд. т ежегодно.

При нарастающей потребности в нефти и одновременном падении темпа роста ее добычи неизбежен рост цен на нефть, а отсюда весьма вероятны кризисные явления и международные конфликты.

Из отходов в процессе их термической деполимеризации в среднем можно получить 48% нефти (табл. 1). Следовательно, для получения необходимого ежегодного количества нефти (около 5 млрд. т) потребуется в год приблизительно 10 млрд. т отходов с примерно нынешней их структурой.

Мировой статистики по отходам нынешней цивилизации и их классификации нет. Ясно только, что количество отходов огромно и непрерывно увеличивается вместе с ростом экономики, использования природных материальных ресурсов и населения мира.

Москва, например, производит только твердых бытовых отходов (ТБО) ежегодно 3,7 млн. т. В Москва-реку через станции аэрации сбрасывается 5 млн. м 3 жидких отходов в сутки (1,8 млрд. м 3 в год). Полученный из них осадок (до 10% объема) может использоваться для термической деполимеризации. Огромны и отходы производственного характера, а также административной, рекламной и иной "печатной" деятельности (бумага). В переработку, которая, в свою очередь, вновь рождает отходы, идет только 15-20% отходов.

Экстраполяционные оценки показывают, что количество мировых твердых и жидких отходов, пригодных для переработки в нефть, гораздо больше 10 млрд. т ежегодно. Можно также утверждать, что современная Россия явно не отстает в этом.

Общественно-политические аспекты производства искусственной нефти

Их трудно перечислить и переоценить, учитывая значимость нефти сейчас и в будущем. Во всяком случае, эта тема объемом в книгу. Особенно если она будет антологией взглядов.

Ясно, что переход на нефтяную экономику, основанную полностью на переработке отходов, будет представлять собой длительный процесс, требующий сооружения тысяч установок термической полимеризации, приближенных к местам образования отходов - зонам наибольшей плотности населения. Тем не менее, несмотря на свою длительность, этот переход не может не повлечь за собой неминуемые глобальные и национальные последствия.

Прежде всего возникает вопрос: появление и неизбежное массовое использование новой нефтепроизводящей технологии - это хорошо или плохо? Тут вспоминается судьба аналогичной по мировому масштабу технологии создания и использования атомного оружия. Его первоначально считавшаяся антиевгенической, бесчеловечной, сущность с течением времени стала восприниматься как мировой антивоенный сдерживающий фактор, избавляющий человечество от войн мирового и континентального масштабов.

Появление нового мирового источника нефти, установками для производства которой, несомненно, обзаведутся развитые энергоресурсонедостаточные страны (а вероятнее всего, и достаточные), окажет, несомненно, кардинальное влияние на мировую энергетическую политику. Конкретные проявления этого влияния невозможно перечислить и, тем более, трудно оценить их перспективу. Тем не менее некоторые глобальные последствия неминуемы и не нуждаются в доказательствах.

Прежде всего, это экологические эффекты - решение проблемы отходов и спасение природы от усиливающейся нефтетранспортной и нефтедобывающей атаки на природу в виде бесконечной череды аварийных разливов нефти.

Еще одно важное последствие - стабилизирующее, сдерживающее влияние на рост катастрофических природных аномалий, "гуляющих" по миру по причине значительного роста эмиссии парниковых газов. Глобальный сдвиг в сторону использования технологий термической деполимеризации привел бы к тому, что весь углерод, находящийся под землей, там бы и оставался. Домашние животные и растения, здания, искусственные сооружения, другие материальные предметы, окружающие человека и характерные для нынешней цивилизации, могут рассматриваться тогда в качестве временных вместилищ углерода в замкнутом цикле "отходы-нефть-отходы". Таким образом, использовался бы только тот углерод, что уже находится над поверхностью Земли.

Наконец, нельзя не сказать о России. Технология термической деполимеризации может стать мощным вынужденным фактором, который поможет России избежать незавидной участи быть моносырьевым придатком экономически развитых стран. Поэтому к технологии деполимеризации надо отнестись так же серьезно, как в свое время руководство страны отнеслось к разработке технологии создания атомного оружия.

Борис Габараев, д-р технических наук; Юрий Корякин, д-р экономических наук

Научно-исследовательский и конструкторский институт энерготехники НИКИЭТ Минатома РФ