Lichefierea cărbunelui

Lichefierea cărbunelui, CTL ( în engleză  Coal to Liquids ), lichefierea cărbunelui (cărbuni) este o tehnologie de producere a combustibilului lichid din cărbune brut . Permite utilizarea consumatorilor tradiționali de benzină (de exemplu, autovehicule) în condiții de deficit de petrol. Acesta este un termen general pentru o familie de procese pentru producerea combustibililor lichizi din cărbune. Tehnologiile specifice de lichefiere se încadrează în general în două categorii: procese de lichefiere directă a cărbunelui (DCL) și procese de lichefiere indirectă a cărbunelui (ICL). Procesele de lichefiere indirectă implică de obicei gazeificarea cărbunelui într-un amestec de monoxid de carbon și hidrogen ( gaz de sinteză ) și apoi utilizarea procesului Fischer-Tropsch pentru a transforma amestecul de gaz de sinteză în hidrocarburi lichide. În schimb, procesele de lichefiere directă transformă cărbunele direct în lichide, fără o etapă intermediară de gazeificare, prin descompunerea structurii sale organice folosind solvenți sau catalizatori la presiune și temperatură ridicată. Deoarece hidrocarburile lichide au de obicei un raport molar hidrogen-carbon mai mare decât carbonul, în tehnologiile ICL și DCL trebuie utilizate fie procese de hidrogenare, fie de îndepărtare a carbonului. La începutul secolului XXI. sunt cunoscute următoarele procese principale de prelucrare a cărbunelui cu producerea finală a produselor lichide: gazeificare cu producerea ulterioară de combustibili sintetici pe bază de gaz de sinteză , hidrogenare , piroliză etc. „ Dizolvarea termică ”. Temperatura optimă de dizolvare pentru majoritatea combustibililor fosili solizi este în intervalul 380–450 °C, presiunea 2–15 MPa, durata procesului 20–60 min. În funcție de tipul de cărbune și de procesul de lichefiere, se obține un randament de produs lichid de 75-85%.

Se preconizează că până în 2030 ponderea cărbunelui lichefiat în structura totală a resurselor de combustibil va ajunge la 20%.

Context istoric

Lichefierea cărbunelui a fost dezvoltată inițial la începutul secolului al XX-lea. Cel mai faimos proces CTL ( Coal to Liquid ) este sinteza Fischer-Tropsch (FT), numită după inventatorii Franz Fischer și Hans Tropsch de la Institutul Kaiser Wilhelm din anii 1920. Sinteza FT este baza tehnologiei de lichefiere indirectă a cărbunelui (ICL). Friedrich Bergius , de asemenea un chimist german, a inventat lichefierea directă a cărbunelui (DCL) ca o modalitate de a transforma lignitul în ulei sintetic ( procesul Bergius ) în 1913.

Lichefierea cărbunelui a devenit o parte integrantă a industriei germane în timpul celui de-al Doilea Război Mondial. Lichefierea cărbunelui a fost o parte importantă a planului de patru ani al lui Adolf Hitler pentru 1936. La mijlocul anilor 1930, companii precum I.G. Farben și Rourchemy au început producția comercială de combustibili sintetici derivați din cărbune. Acest lucru a condus la construirea a douăsprezece instalații DCL folosind hidrogenare și nouă instalații ICL folosind sinteza Fischer-Tropsch până la sfârșitul celui de-al Doilea Război Mondial . În total, CTL a furnizat 92% din combustibilul de aviație al Germaniei și peste 50% din livrările de petrol în anii 1940. Uzinele DCL și ICL s-au completat în mod eficient reciproc, mai degrabă decât au concurat. Motivul pentru aceasta este că hidrogenarea cărbunelui produce benzină de înaltă calitate pentru aviație și motoare, în timp ce sinteza FT produce în principal motorină de înaltă calitate, ulei lubrifiant și ceară , împreună cu unele cantități mai mici de benzină de motor de calitate scăzută. Instalațiile DCL au fost, de asemenea, mai avansate, deoarece lignitul  - singurul cărbune disponibil în multe părți ale Germaniei - a funcționat mai bine în hidrogenare decât în ​​sinteza FT. După război, Germania a fost forțată să renunțe la producția de combustibili sintetici, deoarece aceasta a fost interzisă de Conferința de la Potsdam din 1945.

Uniunea Africii de Sud și-a dezvoltat propria tehnologie CTL în anii 1950. Corporația sud-africană de cărbune, petrol și gaze ( Sasol ) a fost fondată în 1950 ca parte a unui proces de industrializare pe care guvernul sud-african l-a considerat necesar pentru dezvoltarea economică și autonomie continuă. Cu toate acestea, Africa de Sud nu avea rezerve interne de petrol, ceea ce a făcut țara foarte vulnerabilă la întreruperile aprovizionării din exterior. Sasol a fost o modalitate de succes de a proteja țara de dependența sa crescândă de petrolul străin. Ani de zile, principalul său produs a fost combustibilul sintetic, iar afacerea s-a bucurat de o protecție guvernamentală semnificativă în anii de apartheid pentru contribuția sa la securitatea energetică a țării. Deși extragerea petrolului din cărbune era în general mult mai costisitoare decât din petrolul natural, importanța politică și economică a obținerii unei independențe cât mai mari în acest domeniu a fost suficientă pentru a depăși orice obiecție. Încercările timpurii de a atrage capital privat, străin sau autohton, nu au avut succes și numai cu sprijinul statului a putut începe lichefierea cărbunelui. CTL a continuat să joace un rol vital în economia națională a Africii de Sud, furnizând aproximativ 30% din cererea internă de combustibil. Democratizarea din anii 1990 a determinat Sasol să caute produse care ar putea deveni mai competitive pe piața globală și, începând cu noul mileniu, Sasol s-a concentrat în principal pe afacerile sale petrochimice, precum și pe eforturile de a converti gazele naturale în țiței ( GTL ) și să-și folosească experiența în sinteza Fischer-Tropsch.

Tehnologia CTL s-a îmbunătățit constant de la al Doilea Război Mondial. Dezvoltarea tehnologică a condus la crearea multor sisteme capabile să manipuleze o gamă largă de tipuri de cărbune. Cu toate acestea, doar câteva întreprinderi au fost întreprinse pentru a produce combustibili lichizi din cărbune, majoritatea fiind bazate pe tehnologia ICL. Cea mai de succes este compania sud-africană Sasol. CTL a primit, de asemenea, un interes reînnoit la începutul anilor 2000, ca o posibilă opțiune de reducere a dependenței de petrol, deoarece creșterea prețului petrolului și preocupările legate de vârful petrolului i-au forțat pe planificatori să regândească lanțurile de aprovizionare cu combustibil lichid existent.

Modalități tradiționale de prelucrare

Există, de asemenea, informații despre o metodă promițătoare de procesare:

Hidrogenare (hidrogenare)

Un număr mare de reacții catalitice sunt asociate cu activarea unui atom de hidrogen și a unei alte molecule, ducând la interacțiunea lor chimică. Acest proces se numește hidrogenare și stă la baza multor etape în rafinarea petrolului și producția de combustibili lichizi din cărbune ( procesul Bergius ). Producția de benzină pentru aviație și combustibil pentru motor din cărbune a fost dezvoltată în Germania în timpul celui de-al Doilea Război Mondial, deoarece în această țară nu există câmpuri petroliere. Primul proces comercial de hidrocracare a fost implementat de IG Farben Industrie în 1927 pentru a produce benzină cu lignit . Procesul Bergius este adăugarea directă de hidrogen la carbon. Cărbunele este încălzit sub presiune în prezența hidrogenului și se obține un produs lichid, care este apoi procesat în benzină de aviație și combustibil pentru motor. Oxidul de fier este utilizat ca catalizator, precum și catalizatori pe bază de staniu și molibden. În timpul războiului, aproximativ 1.400 de tone de combustibil lichid pe zi au fost obținute la 12 fabrici germane folosind procesul Bergius. Un alt proces, Fischer-Tropsch, constă din două etape. În primul rând, cărbunele este gazeificat, adică reacţionează cu vapori de apă şi oxigen şi se obţine un amestec de hidrogen şi oxizi de carbon. Acest amestec este transformat în combustibil lichid folosind catalizatori care conțin fier sau cobalt. Odată cu sfârșitul războiului, producția de combustibil sintetic din cărbune în Germania a fost întreruptă. Ca urmare a creșterii prețului petrolului care a urmat embargoului petrolului din 1973-1974, au fost depuse eforturi puternice pentru a dezvolta o metodă viabilă din punct de vedere economic de producere a benzinei din cărbune. Astfel, lichefierea directă a cărbunelui poate fi efectuată mai eficient utilizând un proces în două etape în care cărbunele este mai întâi contactat cu un catalizator de alumină-cobalt-molibden la o temperatură relativ scăzută și apoi la o temperatură mai ridicată.

Metanol în benzină

Methanol-to-benzină, sau metanol-to-benzină pentru scurt MTG, este un proces chimic de producere a benzinei din metanol.

Procesul este util pentru producerea de benzină din gaze naturale sau cărbune în loc de petrol. Procesul a fost dezvoltat în anii 70 de Mobil (acum ExxonMobil ). Cărbunele sau gazul natural este mai întâi transformat în gaz de sinteză și apoi în metanol. Metanolul este apoi deshidratat la dimetil eter (DME). Dimetileterul este apoi deshidratat în continuare pe un catalizator. Reacția chimică se desfășoară după cum urmează:

: Gradul de conversie a metanolului în hidrocarburi cu cinci sau mai mulți atomi de carbon 80%. Catalizatorul este de obicei un zeolit , cum ar fi ZSM-5 . ZSM-5 își pierde activitatea din cauza acumulării de carbon. Catalizatorul trebuie apoi regenerat prin arderea carbonului în aer la 500 ° C. Numărul de regenerări posibile este limitat și în cele din urmă catalizatorul trebuie înlocuit.

Economie

Pe 17 august 2006, Wall Street Journal a subliniat că petrolul trebuie să rămână peste 30-35 dolari pe baril pentru a fi profitabil. Sasol din Africa de Sud este cel mai mare producător mondial de cărbune lichefiat. Nu există petrol în Africa de Sud, dar cărbunele este din belșug. Din anii 1950, Sasol a început să opereze o fabrică de lichefiere a cărbunelui, producând 150.000 de barili de cărbune lichefiat pe zi, înlocuind o treime din necesarul de petrol al Africii de Sud. (Având în vedere că Rusia produce 10,3 milioane de barili pe zi, iar Arabia Saudită produce 99,5 milioane de barili de țiței din mai 2017, acest lucru este foarte scăzut) Sasol Limited reprezintă în prezent 20% din piața sud-africană a combustibilului pentru automobile. „Uzina noastră de lichefiere a cărbunelui este viabilă din punct de vedere economic dacă prețurile globale ale țițeiului sunt peste 16-17 dolari pe baril”, a spus John Bocca, CTO Sasol. În aprilie 2017, prețul mediu al petrolului din Dubai în Orientul Mijlociu este de 52,3 USD pe baril.

Sasol construiește în prezent 27 de fabrici de lichefiere a cărbunelui în Ningbo, China. Pentru a construi o uzină capabilă să producă 80.000 de barili de petrol pe zi (aproximativ 4 milioane de tone pe an), sunt necesare șase miliarde de dolari.

Benzină sintetică în timpul celui de-al Doilea Război Mondial

Cercetările de lichefiere a cărbunelui au fost efectuate în anii 1920 în Germania, în principal pentru că țara a fost închisă de sursele de petrol după Primul Război Mondial. Primul proces de lichefiere a fost inventat de Franz Fischer și Hans Tropsch de la Institutul Împăratul Wilhelm. În timpul celui de-al Doilea Război Mondial, a fost folosit pentru a produce benzină pentru armamentul Germaniei și Japoniei. La apogeul său, Germania producea 124.000 de barili de benzină pe zi, pentru un total de 6,5 milioane de tone în 1944.

Obținerea combustibililor lichizi din cărbune prin distilare

Producția de combustibili lichizi de hidrocarburi din cărbune brun prin distilare uscată se răspândește rapid [3] [4] . După distilare, reziduul este potrivit pentru obținerea funinginei . Din el se extrage gaz combustibil, se obțin reactivi carbon-alcali și ceară de montan (ceara de munte) .

Liptobioliții se caracterizează printr -un randament crescut de substanțe volatile (45-57%), rășină primară în timpul distilării uscate, conținut ridicat de hidrogen, putere calorică mare (34,3-36,4 MJ/kg) și conținut scăzut de cenușă (8-9%).

Sapropelitele sunt roci  vâscoase masive de culoare maro, maro-gri și negru , conțin în compoziția lor 55-70% substanțe volatile (60-90% [5] ).

Tip de TGK char rășină primară Apa pirogenetica gazul primar
Turbă 33,6-50,9 7,7-23,1 14,2-26,8 15,9-31,8
Cărbune brun Podmoskovny 71,0-76,0 5,5-14,3 2,5-12,6 5,8-21,0
Cărbuni bruni alexandrin 55,4-61,8 10,6-15,8 7,4-9,2 18.3-21.1

cărbuni Kizelovsky 		73,0 16.7 2.5 7.8
Cărbuni de Donețk :        
marca D 70,1-74,3 10.3-18.1 3,1-8,7 10,7-16,5
marca G 75,8 10.3 3.6 10.3
marca K 84,8 5.8 1.7 7.7
Note PS 91.1 2.4 0,5 6.0
Sapropelit
( balhashit ) 		10.3 65,9 8.4 15.4
Liptobiolit
( piropizit ) 		13.2 68.3 3.8 14.7
șisturi petroliere baltice 52,6-86,4 8,2-34,1 1,8-9,9 2,7-6,1
șisturi petroliere Volga 75,6-79,1 9,6-11,6 6,4-7,2 4,9-5,7
șisturi petroliere baltice 14,2* 59,0* 8,1* 18,7*

Vezi și

Note

  1. ↑ Proces mobil (link inaccesibil) . Preluat la 25 mai 2019. Arhivat din original la 1 noiembrie 2014. 
  2. ↑ Evaluarea comercială a noii tehnologii de lichefiere a cărbunelui (link inaccesibil) . Preluat la 21 februarie 2022. Arhivat din original la 25 mai 2019. 
  3. ↑ Companie de investiții în energie  (link inaccesibil)
  4. ↑ Perspective alternative: CWF (combustibil pe cărbune), CCGT și combustibili sintetici . Preluat la 31 mai 2019. Arhivat din original la 31 iulie 2014.
  5. ↑ Sapropelites - articol din Marea Enciclopedie Sovietică . V. Uspensky, O. Radcenko. 

Literatură