Сжижение угля

Сжижение угля - это процесс преобразования угля в жидкие углеводороды: жидкое топливо и нефтехимия. Этот процесс часто известен как «Уголь в X», где X может представлять собой множество различных углеводородных продуктов. Однако наиболее распространенной технологической цепочкой является «Уголь - жидкое топливо» (CTL).

• 1 Историческая справка
• 2 Методы
  • 2.1 Процессы пиролиза и карбонизации
  • 2.2 Процессы гидрирования
  • 2.3 Процессы непрямого преобразования
• 3 Экологические соображения
• 4 Исследования и разработки в области сжижения угля
• 5 Установки и проекты по сжижению угля
  • 5.1 Проекты мирового (неамериканского) угля в жидкое топливо
  • 5.2 Уголь США to Liquid Fuels Projects
• 6 См. также
• 7 Ссылки
• 8 Внешние ссылки

Сжижение угля первоначально было разработано в начале 20-го века. Самый известный процесс CTL - синтез Фишера-Тропша (FT), названный в честь изобретателей Франца Фишера и Ганса Тропша из Института кайзера Вильгельма в 1920-х годах.. Синтез FT является основой технологии непрямого ожижения угля (ICL). Фридрих Бергиус, также немецкий химик, изобрел прямое ожижение угля (DCL) как способ превращения лигнита в синтетическое масло в 1913 году.

Сжижение угля было важным часть четырехлетнего плана Адольфа Гитлера на 1936 год и стала неотъемлемой частью немецкой промышленности во время Второй мировой войны. В середине 1930-х годов такие компании, как IG Farben, начали промышленное производство синтетического топлива из угля. Это привело к строительству двенадцати заводов DCL с использованием гидрогенизации и девяти заводов ICL с использованием синтеза Фишера-Тропша к концу Второй мировой войны. В целом CTL обеспечивала 92% авиационного топлива Германии и более 50% нефти в 1940-х годах. Установки DCL и ICL эффективно дополняли друг друга, а не конкурировали. Причина этого в том, что гидрогенизация угля дает высококачественный бензин для авиации и двигателей, в то время как синтез FT в основном дает высококачественное дизельное топливо, смазочное масло и парафины вместе с некоторыми меньшими количествами более низкого качества автомобильного бензина. Установки DCL также были более развиты, поскольку лигнит - единственный уголь, доступный во многих частях Германии - лучше работал с гидрогенизацией, чем с синтезом FT. После войны Германии пришлось отказаться от производства синтетического топлива, поскольку это было запрещено Потсдамской конференцией в 1945 году.

Южная Африка разработала свою собственную технологию CTL в 1950-х годах. Южноафриканская корпорация угля, нефти и газа (Sasol ) была основана в 1950 году в рамках процесса индустриализации, который правительство Южной Африки считало важным для непрерывного экономического развития и автономии. Однако у Южной Африки не было внутренних запасов нефти, и это делало страну очень уязвимой для перебоев в поставках извне, хотя и по разным причинам в разное время. Sasol был успешным способом защитить платежный баланс страны от растущей зависимости от иностранной нефти. В течение многих лет ее основным продуктом было синтетическое топливо, и этот бизнес пользовался значительной государственной защитой в Южной Африке во время апартеида лет за его вклад в внутреннюю энергетическую безопасность. Хотя, как правило, добывать нефть из угля было намного дороже, чем из натуральной нефти, политическая и экономическая важность достижения как можно большей независимости в этой сфере была достаточной для преодоления любых возражений. Ранние попытки привлечь частный капитал, иностранный или внутренний, не увенчались успехом, и только при государственной поддержке можно было начать сжижение угля. CTL продолжал играть жизненно важную роль в национальной экономике Южной Африки, обеспечивая около 30% ее внутреннего спроса на топливо. демократизация Южной Африки в 1990-х годах заставила Sasol искать продукты, которые могли бы оказаться более конкурентоспособными на мировом рынке; в новом тысячелетии компания сосредоточила внимание в первую очередь на нефтехимическом бизнесе, а также на усилиях по переработке природного газа в сырую нефть (GTL ), используя свой опыт в синтезе Фишера – Тропша.

Технологии CTL неуклонно совершенствовались со времен Второй мировой войны. Техническое развитие привело к появлению множества систем, способных обрабатывать широкий спектр типов угля. Однако было создано лишь несколько предприятий, основанных на производстве жидкого топлива из угля, большинство из которых основано на технологии ICL; наиболее успешным был Sasol в Южной Африке. CTL также вызвала новый интерес в начале 2000-х как возможный вариант смягчения последствий для снижения зависимости от нефти, в то время, когда рост цен на нефть и опасения по поводу пика нефти заставили плановиков переосмыслить существующие цепочки поставок жидкого топлива.

Конкретные технологии сжижения обычно делятся на две категории: процессы прямого (DCL) и непрямого сжижения (ICL). Прямые процессы основаны на таких подходах, как карбонизация, пиролиз и гидрогенизация.

Процессы непрямого ожижения обычно включают газификацию угля до смеси оксида углерода и водород, часто известный как синтез-газ или просто синтез-газ. Использование процесса Фишера-Тропша синтез-газ преобразуется в жидкие углеводороды.

Напротив, в процессах прямого сжижения уголь преобразуется в жидкости напрямую, без необходимости использования промежуточных стадий за счет разрушения органической структуры уголь с применением растворителя-донора водорода, часто при высоких давлениях и температурах. Поскольку жидкие углеводороды обычно имеют более высокое молярное соотношение водорода и углерода, чем угли, в технологиях ICL и DCL должны использоваться процессы гидрогенизации или удаления углерода.

В промышленных масштабах (т. Е. Тысячи баррелей в день) установка по сжижению угля обычно требует многомиллиардных капиталовложений.

Процессы пиролиза и карбонизации

Ряд процессов карбонизации существовать. Превращение карбонизации обычно происходит посредством пиролиза или деструктивной перегонки. Он производит конденсируемую каменноугольную смолу, нефть и водяной пар, неконденсируемый синтетический газ и твердый остаток - уголь.

. Типичным примером карбонизации является Процесс Каррика. В этом процессе низкотемпературной карбонизации уголь нагревают при температуре от 680 ° F (360 ° C) до 1380 ° F (750 ° C) в отсутствие воздуха. Эти температуры оптимизируют производство каменноугольных смол, более богатых более легкими углеводородами, чем обычная каменноугольная смола. Однако любые производимые жидкости в основном являются побочным продуктом, а основным продуктом является полукокс - твердое и бездымное топливо.

Процесс COED, разработанный FMC Corporation, использует псевдоожиженный слой для обработки в сочетании с повышением температуры через четыре стадии пиролиза. Тепло передается горячими газами, образующимися при сгорании части полученного полукокса. Модификация этого процесса, COGAS Process, включает добавление газификации полукокса. Процесс TOSCOAL, аналог TOSCO II процесса ретортации сланца и процесса Lurgi – Ruhrgas, который также используется для добычи сланцевого масла, использует горячее рециркулируемые твердые частицы для теплопередачи.

Жидкие выходы пиролиза и процесса Каррика обычно считаются слишком низкими для практического использования для производства синтетического жидкого топлива. Образующиеся в результате пиролиза каменноугольные смолы и масла обычно требуют дополнительной обработки, прежде чем их можно будет использовать в качестве моторного топлива; они обрабатываются с помощью гидроочистки для удаления частиц серы и азота, после чего их окончательно перерабатывают в жидкое топливо.

Таким образом, Экономическая жизнеспособность этой технологии сомнительна.

Процессы гидрирования

Одним из основных методов прямого превращения угля в жидкости с помощью процесса гидрогенизации является процесс Бергиуса, разработан Фридрихом Бергиусом в 1913 году. В этом процессе сухой уголь смешивается с тяжелой нефтью, возвращаемой из процесса. В смесь обычно добавляют катализатор. Реакция протекает при давлении от 400 ° C (752 ° F) до 500 ° C (932 ° F) и давлении от 20 до 70 МПа водорода. Реакцию можно резюмировать следующим образом:

$n\; C\; +\; (n\; +\; 1)\; H\; 2\; ⟶\; C\; n\; H\; 2\; n\; +\; 2\; \{\backslash \; displaystyle\; n\; \{\backslash \; ce\; \{C\}\}\; +\; (n\; +\; 1)\; \{\backslash \; ce\; \{\; H2\; ->C\}\}\; \{\}\; \_\; \{n\}\; \{\backslash \; ce\; \{H\}\}\; \_\; \{2n\; +\; 2\}\}$

После Первая мировая война несколько заводов, основанных на этой технологии, были построены в Германии; эти заводы широко использовались во время Второй мировой войны для снабжения Германии топливом и смазочными материалами. Процесс Кохлеоэля, разработанный в Германии от Ruhrkohle и VEBA, использовалась на демонстрационной установке мощностью 200 тонн лигнита в сутки, построенной в Ботроп, Германия. 1981-1987 гг. В этом процессе уголь смешивают с рециркулирующим растворителем и железным катализатором. После предварительного нагрева и повышения давления добавляют H 2. Процесс протекает в трубчатом реакторе при давлении 300 бар ( 30 МПа) и при t температура 470 ° C (880 ° F). Этот процесс также был исследован SASOL в Южной Африке.

В течение 1970-х и 1980-х годов японские компании Nippon Kokan, Sumitomo Metal Industries и Mitsubishi Heavy Industries разработали процесс NEDOL. В этом процессе уголь смешивается с рециклируемым растворителем и синтетическим катализатором на основе железа; после предварительного нагрева добавляется H 2. Реакция протекает в трубчатом реакторе при температуре от 430 ° C (810 ° F) до 465 ° C (870 ° F) и давлении 150-200 бар. Добываемая нефть имеет низкое качество и требует интенсивной переработки. Процесс H-Coal, разработанный Hydrocarbon Research, Inc. в 1963 году, смешивает пылевидный уголь с рециркулируемыми жидкостями, водородом и катализатором в реакторе с кипящим слоем. Преимущества этого процесса заключаются в том, что растворение и облагораживание нефти происходят в одном реакторе, продукты имеют высокое соотношение H / C и быстрое время реакции, а основными недостатками являются высокий выход газа (в основном это процесс термического крекинга), высокое потребление водорода и ограничение использования масла только в качестве котельного топлива из-за примесей.

Процессы SRC-I и SRC-II (рафинированный уголь) были разработаны Gulf Oil и внедрялись в качестве пилотных установок в Соединенных Штатах в 1960-х и 1970-х годах.

Корпорация Nuclear Utility Services Corporation разработала процесс гидрогенизации, который был запатентован Уилбурном С. Шредером в 1976 году. % молибденовые катализаторы. Гидрирование происходило с использованием синтез-газа при высокой температуре и давлении, полученного в отдельном газогенераторе. В конечном итоге в результате процесса был получен синтетический неочищенный продукт, нафта, ограниченное количество газа C 3/C4, легкие и средние жидкости (C 5-C10), подходящие для использования в качестве топлива, небольшие количества NH 3 и значительные количества CO 2. Другими одностадийными процессами гидрогенизации являются процесс Exxon Donor Solvent, процесс Imhausen высокого давления и процесс Conoco с хлоридом цинка.

Существует также ряд двухстадийных процессов прямого ожижения; однако после 1980-х только каталитический двухступенчатый процесс сжижения, модифицированный из процесса H-угля; Процесс экстракции жидким растворителем от British Coal ; и был разработан процесс сжижения бурого угля в Японии.

Shenhua, китайская угледобывающая компания, решила в 2002 году построить завод прямого сжижения в Эрдосе, Внутренняя Монголия (Erdos CTL ), производительностью 20 тысяч баррелей в сутки (3,2 × 10 ^м3 / сут) жидких продуктов, включая дизельное топливо, сжиженный нефтяной газ (СНГ) и нафту (петролейный эфир). Первые испытания были проведены в конце 2008 года. Вторая и более продолжительная испытательная кампания была начата в октябре 2009 года. В 2011 году Shenhua Group сообщила, что завод прямого сжижения работал непрерывно и стабильно с ноября 2010 года, и что Shenhua произвел 800 единиц. млн юаней (125,1 млн долларов) прибыли до налогообложения за первые шесть месяцев 2011 года по проекту.

Корпорация Chevron разработала изобретенный Джоэлом У. Розенталем процесс под названием «Процесс сжижения угля Chevron» (CCLP). Он уникален благодаря тесному взаимодействию некаталитического диссольвера и каталитического блока. Полученная нефть имела уникальные свойства по сравнению с другими каменноугольными маслами; он был легче и содержал гораздо меньше примесей гетероатомов. Этот процесс был увеличен до уровня 6 тонн в день, но это не было коммерчески доказано.

Процессы непрямого преобразования

Процессы непрямого ожижения угля (ICL) проходят в два этапа. На первой стадии уголь превращается в синтез-газ (очищенная смесь CO и газа H 2). На втором этапе синтез-газ превращается в легкие углеводороды с использованием одного из трех основных процессов: синтез Фишера-Тропша, синтез метанола с последующим преобразованием в бензин или нефтехимия и метанирование. Процесс Фишера – Тропша - самый старый из процессов ICL.

В процессах синтеза метанола синтез-газ превращается в метанол, который затем полимеризуется в алканы на цеолитном катализаторе.. Этот процесс под названием MTG (MTG означает «метанол в бензин») был разработан Mobil в начале 1970-х годов и испытывается на демонстрационном предприятии Jincheng Anthracite Mining Group (JAMG) в Шаньси, Китай. Основываясь на этом синтезе метанола, Китай также развил сильную угольную химическую промышленность с такими выходами, как олефины, MEG, DME и ароматические углеводороды.

Реакция метанирования превращает синтез-газ в заменитель природного газа (SNG). Завод газификации Great Plains в Беуле, Северная Дакота, представляет собой предприятие по переработке угля в SNG, производящее 160 миллионов кубических футов в день SNG, и находится в эксплуатации с 1984 года. Несколько заводов по преобразованию угля в SNG находятся в эксплуатации. в эксплуатации или в проекте в Китае, Южной Корее и Индии.

Вышеупомянутые примеры коммерческих установок, основанных на процессах непрямого ожижения угля, а также многие другие, не перечисленные здесь, в том числе находящиеся на этапах планирования и строительства, приведены в таблице Мировой базы данных по газификации Совета по технологиям газификации.

Обычно процессы сжижения угля связаны со значительными выбросами CO 2 в процессе газификации, а также с выработкой необходимого технологического тепла и электроэнергии в реакторах сжижения. таким образом выделяются парниковые газы, которые могут способствовать антропогенному глобальному потеплению. Это особенно верно, если ожижение угля проводится без каких-либо технологий улавливания и хранения углерода. Существуют технически осуществимые конфигурации установок CTL с низким уровнем выбросов.

Высокое потребление воды в реакции конверсии водяного газа или паровой конверсии метана является еще одним неблагоприятным воздействием на окружающую среду.

. CO2Контроль выбросов на Erdos CTL, завод во Внутренней Монголии с демонстрационным проектом улавливания и хранения углерода, включает закачку CO 2 в солевой водоносный горизонт Эрдоса. Бассейн, производительностью 100 000 тонн в год. По состоянию на конец октября 2013 года с 2010 года было закачано 154 000 тонн CO 2, что достигло проектного значения или превысило его.

Например, в США Стандарт на возобновляемые источники топлива и стандарт на низкоуглеродистое топливо, например, принятый в штате Калифорния, отражает растущий спрос на топливо с низким углеродным следом. Кроме того, законодательство США ограничивает использование военными альтернативных жидких видов топлива только теми видами топлива, у которых в течение жизненного цикла выбросы парниковых газов меньше или равны выбросам их обычного нефтяного эквивалента, как того требует Раздел 526 Энергетической независимости. и Закон о безопасности (EISA) 2007 года.

Вооруженные силы США проводят активную программу по продвижению использования альтернативных видов топлива и использованию огромных внутренних запасов угля в США для производства топливо путем сжижения угля имело бы очевидные экономические преимущества и преимущества в плане безопасности. Но из-за более высокого углеродного следа топлива от сжижения угля сталкиваются с серьезной проблемой сокращения выбросов парниковых газов в течение жизненного цикла до конкурентного уровня, что требует непрерывных исследований и разработок технологий сжижения для повышения эффективности и сокращения выбросов. Необходимо будет продолжить ряд направлений исследований и разработок, в том числе:

• улавливание и хранение углерода, включая повышение нефтеотдачи и методы разработки CCS для компенсации выбросов как от синтеза, так и от использования жидкости. топливо из угля,
• смеси угля / биомассы / природного газа для сжижения угля: использование углеродно-нейтральной биомассы и богатого водородом природного газа в качестве совместной подачи в процессах сжижения угля имеет значительный потенциал для продления срока службы топливных продуктов -цикл выбросов парниковых газов в конкурентные диапазоны,
• Водород из возобновляемых источников энергии: потребность в водороде для процессов сжижения угля может быть обеспечена за счет возобновляемых источников энергии, включая ветер, солнце и биомассу, что значительно сокращает выбросы, связанные с традиционными методами получения водорода синтез (например, паровой риформинг метана или угольная газификация) и
• усовершенствования процесса, такие как интенсификация процесса Фишера-Тропша, гибридные процессы сжижения и более эффективные технологии разделения воздуха, необходимые для производства кислорода (например, разделение кислорода на основе керамической мембраны).

С 2014 года министерство энергетики США и министерство обороны сотрудничают в поддержке новых исследований и разработок в области сжижения угля для производства жидкого топлива военного назначения, уделяя особое внимание на реактивном топливе, что было бы рентабельно и соответствовало бы разделу 526 EISA. Проекты, реализуемые в этой области, описаны в разделе Научно-исследовательской работы по усовершенствованному синтезу топлива в угле и угле Национальной лаборатории энергетических технологий Министерства энергетики США Программа «Биомасса в жидкости».

Ежегодно исследователь или разработчик в области конверсии угля награждается отраслью наградой World Carbon To X Award. Лауреатом Премии 2016 г. стал г-н Джона Пиллэй, исполнительный директор по газификации и CTL, Jindal Steel Power Ltd (Индия). Лауреатом премии 2017 года стал д-р Яо Минь, заместитель генерального директора Shenhua Ningxia Coal Group (Китай).

Что касается коммерческого развития, конверсия угля переживает значительный рост. Географически наиболее активные проекты и недавно введенные в эксплуатацию предприятия расположены в Азии, в основном в Китае, тогда как американские проекты были отложены или отменены из-за разработки сланцевого газа и сланцевой нефти.

Мировые (неамериканские) проекты преобразования угля в жидкое топливо

США Проекты от угля к жидкому топливу

• Энергетический портал
• Портал возобновляемой энергии

• Биомасса в жидкое состояние
• Synthetic Fuels Corporation, несуществующая государственная корпорация США
• Программа синтетического жидкого топлива
• Нетрадиционная нефть

• Прямые процессы сжижения, официальный сайт NETL
• Непрямое сжижение P rocesses, официальный сайт NETL
• Уголь и программа от угля-биомассы к жидкостям, официальный сайт NETL
• Исследовательская программа Исследовательского фонда угля и стали ОБЗОР МИРОВОГО УГЛЯ ДЛЯ ЖИДКОСТЕЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТЬ ПО НИОКР, НИОКР И НЕОБХОДИМОСТЬ ДАЛЬНЕЙШИЕ ИНИЦИАТИВЫ В ЕВРОПЕ (2.9MB), 52pp, 2009
• Coal To Liquids на официальном сайте World Coal-To-X