Синтетические топлива из угля могут быть получены путем пиролиза, гидрогенезации, газификации и ожижения органическими растворителями.
Пиролиз (греческ. pyros = огонь, lysis = растворение) это физико-химический процесс, который относится к относительно широкой группе термических процессов. Под пиролизом понимаем термическое разложение органических материалов при недоступности среды, содержащей кислород. Существом пиролиза является нагрев материала сверх предела термической устойчивости присутствующих органических соединений, что ведет к их распаду на постоянные низкомолекулярные продукты и твердый остаток.” Продуктом пиролизного разложения органических веществ является всегда газы (СО, Н2, СН4 и др.), жидкая фаза (смола) и твердый углеродный остаток (кокс). Смола представляет собой смесь углеводородов, в состав которой входит до 10 тысяч соединений и которая подвергается дальнейшей разгонке с целью получения жидких топлив. Описание модификаций автомашин ВАЗ-2105
Насыщение молекул водородом ( нефть содержит 12-15% водорода, а каменный уголь- 5%) назвали гидрогенизацией (от латинского слова «гидрогениум» – водород). При гидрогенизации мелко размолотый угольный порошок смешивается с тяжелыми маслами-смолами, также полученными из угля. Эту густую пасту специальные насосы подают в подогреватель. Сюда же нагнетается водород. Нагретая смесь идет в реактор – огромную стальную камеру высотой в пятиэтажный дом. Она весит около 100 т и обладает исключительной прочностью: ей приходится выдерживать давление до 70 мПа при температуре 500°. Молекулы угля, попав в камеру, распадаются. К «осколкам» молекул в местах разрыва присоединяется водород. Уголь перешел в жидкое состояние.
Для сжижения угля имеет значение не только соотношение между углеродом и водородом, но и размеры и строение новых молекул. Поэтому сложные реакции разложения и соединения идут в присутствии катализаторов. Обычно это окись железа, которая в виде порошка замешивается в угольную пасту. Продукт гидрогенизации – своеобразную искусственную нефть – подвергают дальнейшей переработке. Пары легких фракций при охлаждении конденсируются, сгущаются. Их пока немного. Основной продукт первичной гидрогенизации – средние и тяжелые масла. Чтобы «облагородить» их, превратить в легкие фракции, их направляют в следующую камеру – реактор. Здесь процесс гидрогенизации продолжается, но уже при меньшем давлении и температуре. В результате из каждой тонны угля, прошедшей через камеры, получается до 600 – 800 кг искусственного жидкого топлива и газов.
Газификация каменного угля осуществляется в результате его обработки кислородом и водяным паром:
Н2О + С = СО↑ + Н2 ↑; 2С + О2 = 2СО↑.
Сущность технологии подземной газификации угля заключается в бурении с поверхности земли скважин до угольного пласта, с соединением их в пласте одним из известных способов, в последующем розжиге (создании управляемого очага горения) угольного пласта и обеспечении условий для превращения угля непосредственно в недрах в горючий газ и в выдаче произведенного газа по скважинам на земную поверхность. Полученный синтез-газ (СО+ Н2) используется как сырье для получения жидких топлив:
синтез-газ
│→ (катализатор Fe илиСо) → смесь углеводородов (процесс Фишера-Тропша)
│→ (катализатор Сu, Zn или Сr) → метанол СН3ОН → очистка → конечный продукт
││→(цеолитный катализатор) → бензины (MOBIL -процесс )
│→ (бифункциональный цеолитный катализатор) → бензины (MOBIL-процесс )
Процесс Фишера -Тропшаописывается следующими химическими уравнениями:
nCO + (2n + 1)∙H2→(катализаторСо )→ CnH2n+2 + nH2O;2nCO + (n + 1)∙H2→(катализатор Fe)→ CnH2n+2 + nCO2
Получаемые углеводороды очищают для получения целевого продукта – синтетической нефти. Процесс был изобретён в бедной нефтью, но богатой углём Германии в 1920-е для производства жидкого топлива. Он использовался Японией и Германией во время второй мировой войны для производства альтернативного топлива. Годовое производство синтетического топлива в Германии достигло более 124 000 баррелей в день ~ 6,5 миллионов тонн в 1944 году. В настоящее время две компании коммерчески используют свои технологии, основанные на процессе Фишера-Тропша. Shell в Бинтулу, Малазия, использует природный газ в качестве сырья и производит, преимущественно, малосернистое дизельное топливо. Sasol в Южной Африке использует уголь в качестве сырья для производства разнообразных товарных продуктов из синтетической нефти. Процесс и сегодня используется в ЮАР для производства большей части дизельного топлива страны из угля компанией Sasol. Процесс использовался в ЮАР для удовлетворения потребностей в энергии во время изоляции при режиме апартеида. Внимание к этому процессу возобновилось в процессе поиска путей получения малосернистых дизельных топлив для уменьшения наносимого дизельными двигателями вреда окружающей среде. Choren в Германии и CWT (ChangingWorldTechnologies) также построили заводы, использующие процесс Фишера-Тропша.