Сжижение угля — это процесс преобразования угля в жидкие углеводороды: жидкое топливо и нефтехимические продукты . Этот процесс часто называют «Уголь в X» или «Углерод в X», где X может быть множеством различных продуктов на основе углеводородов. Однако наиболее распространенной цепочкой процессов является «Уголь в жидкое топливо» (CTL). [1]
Сжижение угля изначально было разработано в начале 20-го века. [2] Наиболее известным процессом CTL является синтез Фишера-Тропша (FT), названный в честь изобретателей Франца Фишера и Ганса Тропша из Института кайзера Вильгельма в 1920-х годах. [3] Синтез FT является основой для технологии непрямого сжижения угля (ICL). Фридрих Бергиус , также немецкий химик, изобрел прямое сжижение угля (DCL) как способ преобразования лигнита в синтетическую нефть в 1913 году.
Сжижение угля было важной частью четырехлетнего плана Адольфа Гитлера 1936 года и стало неотъемлемой частью немецкой промышленности во время Второй мировой войны . [4] В середине 1930-х годов такие компании, как IG Farben и Ruhrchemie, инициировали промышленное производство синтетического топлива, полученного из угля. Это привело к строительству двенадцати заводов DCL, использующих гидрогенизацию, и девяти заводов ICL, использующих синтез Фишера-Тропша, к концу Второй мировой войны. В общей сложности CTL обеспечивала 92% авиационного топлива Германии и более 50% ее поставок нефти в 1940-х годах. [2] Заводы 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 производил высококачественное дизельное топливо, смазочное масло и воски вместе с некоторым меньшим количеством автомобильного бензина более низкого качества. Заводы 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 оно было запрещено Потсдамской конференцией в 1945 году. [4]
Южная Африка разработала собственную технологию CTL в 1950-х годах. Южноафриканская угольная, нефтяная и газовая корпорация ( Sasol ) была основана в 1950 году в рамках процесса индустриализации, который правительство Южной Африки считало необходимым для дальнейшего экономического развития и автономии. [5] В то время у Южной Африки не было известных внутренних запасов нефти, и это делало страну очень уязвимой для перебоев с поставками извне, хотя и по разным причинам в разное время. Sasol был успешным способом защиты платежного баланса 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 в годы апартеида за его вклад во внутреннюю энергетическую безопасность . [6] Хотя в целом было намного дороже добывать нефть из угля, чем из натуральной нефти, политическая, а также экономическая важность достижения как можно большей независимости в этой сфере была достаточной, чтобы преодолеть любые возражения. Ранние попытки привлечь частный капитал, иностранный или отечественный, оказались безуспешными, и только при государственной поддержке можно было начать сжижение угля. CTL продолжал играть важную роль в национальной экономике ЮАР, обеспечивая около 30% ее внутреннего спроса на топливо. Демократизация ЮАР в 1990-х годах заставила Sasol искать продукты, которые могли бы оказаться более конкурентоспособными на мировом рынке; с нового тысячелетия компания сосредоточилась в основном на своем нефтехимическом бизнесе, а также на усилиях по превращению 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 них основано на технологии ICL; наиболее успешным из них был Sasol в Южной Африке. CTL также получил новый интерес в начале 2000-х годов как возможный вариант смягчения для снижения зависимости от нефти, в то время как рост цен на нефть и опасения по поводу пика добычи нефти заставили планировщиков пересмотреть существующие цепочки поставок жидкого топлива.
Конкретные технологии сжижения обычно делятся на две категории: процессы прямого сжижения (DCL) и непрямого сжижения (ICL). Прямые процессы основаны на таких подходах, как карбонизация , пиролиз и гидрогенизация . [7]
Косвенные процессы сжижения обычно включают газификацию угля в смесь оксида углерода и водорода , часто известную как синтез-газ или просто синтез-газ . С помощью процесса Фишера-Тропша синтез-газ преобразуется в жидкие углеводороды. [8]
Напротив, процессы прямого сжижения преобразуют уголь в жидкости напрямую, без необходимости использования промежуточных стадий, путем разрушения органической структуры угля с применением растворителя-донора водорода , часто при высоких давлениях и температурах. [9] Поскольку жидкие углеводороды, как правило, имеют более высокое молярное отношение водорода к углероду, чем угли, в технологиях ICL и DCL необходимо использовать либо процессы гидрогенизации, либо процессы удаления углерода.
В промышленных масштабах (т.е. тысячи баррелей в день) завод по сжижению угля обычно требует многомиллиардных капиталовложений. [10]
Существует ряд процессов карбонизации. Преобразование карбонизации обычно происходит посредством пиролиза или деструктивной перегонки . В результате получается конденсируемая каменноугольная смола , масляный и водяной пар, неконденсируемый синтетический газ и твердый остаток - уголь .
Типичным примером карбонизации является процесс Каррика . В этом низкотемпературном процессе карбонизации уголь нагревается при температуре от 680 °F (360 °C) до 1380 °F (750 °C) в отсутствие воздуха. Эти температуры оптимизируют производство каменноугольных смол, более богатых легкими углеводородами, чем обычная каменноугольная смола. Однако любые полученные жидкости в основном являются побочным продуктом, а основным продуктом является полукокс — твердое и бездымное топливо. [2]
Процесс COED, разработанный корпорацией FMC , использует псевдоожиженный слой для обработки в сочетании с повышением температуры через четыре стадии пиролиза. Тепло передается горячими газами, полученными при сжигании части полученного угля. Модификация этого процесса, процесс COGAS, включает в себя добавление газификации угля. [11] Процесс TOSCOAL, аналог процесса реторты горючего сланца TOSCO II и процесса Lurgi–Ruhrgas , который также используется для извлечения сланцевого масла , использует горячие переработанные твердые частицы для передачи тепла. [11]
Выходы жидкости при пиролизе и процессе Каррика обычно считаются слишком низкими для практического использования для производства синтетического жидкого топлива. [12] Получающиеся в результате пиролиза каменноугольные смолы и масла обычно требуют дальнейшей обработки, прежде чем их можно будет использовать в качестве моторного топлива; их обрабатывают гидроочисткой для удаления соединений серы и азота , после чего их окончательно перерабатывают в жидкое топливо. [11]
Подводя итог, можно сказать, что экономическая жизнеспособность этой технологии сомнительна. [10]
Одним из основных методов прямого преобразования угля в жидкости путем гидрогенизации является процесс Бергиуса , разработанный Фридрихом Бергиусом в 1913 году. В этом процессе сухой уголь смешивается с тяжелой нефтью, переработанной в процессе. Обычно в смесь добавляется катализатор . Реакция происходит при температуре от 400 °C (752 °F) до 500 °C (932 °F) и давлении водорода от 20 до 70 МПа . Реакцию можно обобщить следующим образом: [7]
После Первой мировой войны в Германии было построено несколько заводов, основанных на этой технологии; эти заводы широко использовались во время Второй мировой войны для снабжения Германии топливом и смазочными материалами. [13] Процесс Kohleoel, разработанный в Германии Ruhrkohle и VEBA , использовался на демонстрационной установке производительностью 200 тонн лигнита в день, построенной в Ботропе , Германия. Эта установка работала с 1981 по 1987 год. В этом процессе уголь смешивается с рециркулирующим растворителем и железным катализатором. После предварительного нагрева и повышения давления добавляется H2 . Процесс происходит в трубчатом реакторе при давлении 300 бар (30 МПа) и температуре 470 °C (880 °F). [14] Этот процесс также исследовался компанией SASOL в Южной Африке.
В 1970-х и 1980-х годах японские компании Nippon Kokan , Sumitomo Metal Industries и Mitsubishi Heavy Industries разработали процесс NEDOL. В этом процессе уголь смешивается с переработанным растворителем и синтетическим катализатором на основе железа; после предварительного нагрева добавляется H2 . Реакция происходит в трубчатом реакторе при температуре от 430 °C (810 °F) до 465 °C (870 °F) при давлении 150-200 бар. Полученная нефть имеет низкое качество и требует интенсивной модернизации. [14] Процесс H-Coal, разработанный Hydrocarbon Research, Inc. в 1963 году, смешивает измельченный уголь с переработанными жидкостями, водородом и катализатором в реакторе с кипящим слоем . Преимущества этого процесса заключаются в том, что растворение и повышение качества масла происходят в одном реакторе, продукты имеют высокое соотношение H/C и быстрое время реакции, в то время как основными недостатками являются высокий выход газа (это, по сути, процесс термического крекинга), высокий расход водорода и ограничение использования масла только в качестве котельного масла из-за примесей. [11]
Процессы SRC-I и SRC-II (уголь, очищенный растворителем) были разработаны компанией Gulf Oil и внедрены в качестве пилотных установок в Соединенных Штатах в 1960-х и 1970-х годах. [14]
Корпорация Nuclear Utility Services разработала процесс гидрогенизации, который был запатентован Уилберном К. Шредером в 1976 году. Процесс включал высушенный, измельченный уголь, смешанный с примерно 1% молибденовых катализаторов. [7] Гидрогенизация происходила с использованием синтез-газа высокой температуры и давления, произведенного в отдельном газификаторе. Процесс в конечном итоге дал синтетический сырой продукт, нафту , ограниченное количество газа C3 / C4 , легкие и средние жидкости (C5 - C10 ) , пригодные для использования в качестве топлива, небольшие количества NH3 и значительные количества CO2 . [ 15] Другие одноступенчатые процессы гидрогенизации - это процесс Exxon Donor Solvent, процесс высокого давления Imhausen и процесс Conoco Zinc Chloride. [14]
Существует также ряд двухстадийных процессов прямого сжижения; однако после 1980-х годов были разработаны только каталитический двухстадийный процесс сжижения, модифицированный из процесса H-Coal; процесс экстракции жидким растворителем от British Coal ; и процесс сжижения бурого угля в Японии. [14]
Shenhua , китайская угледобывающая компания, решила в 2002 году построить завод по прямому сжижению в Эрдосе, Внутренняя Монголия ( Erdos CTL ), с производительностью 20 тысяч баррелей в день (3,2 × 10 3 м 3 /д) жидких продуктов, включая дизельное топливо, сжиженный нефтяной газ (LPG) и нафту (петролейный эфир). Первые испытания были проведены в конце 2008 года. Вторая и более длительная испытательная кампания началась в октябре 2009 года. В 2011 году Shenhua Group сообщила, что завод по прямому сжижению непрерывно и стабильно работает с ноября 2010 года, и что Shenhua получила 800 миллионов юаней (125,1 миллиона долларов) прибыли до уплаты налогов за первые шесть месяцев 2011 года на проекте. [16]
Chevron Corporation разработала процесс, изобретенный Джоэлем В. Розенталем, названный Chevron Coal Liquefaction Process (CCLP). [17] Он уникален из-за тесного соединения некаталитического растворителя и каталитической гидрообрабатывающей установки. Полученная нефть имела свойства, которые были уникальными по сравнению с другими угольными маслами; она была легче и имела гораздо меньше гетероатомных примесей. Процесс был масштабирован до уровня 6 тонн в день, но не был доказан в коммерческих целях.
Процессы непрямого сжижения угля (ICL) работают в два этапа. На первом этапе уголь преобразуется в синтез-газ (очищенную смесь CO и H2 ) . На втором этапе синтез-газ преобразуется в легкие углеводороды с использованием одного из трех основных процессов: синтез Фишера-Тропша, синтез метанола с последующей конверсией в бензин или нефтехимические продукты и метанирование . Процесс Фишера-Тропша является старейшим из процессов ICL.
В процессах синтеза метанола синтез-газ преобразуется в метанол , который затем полимеризуется в алканы на цеолитовом катализаторе. Этот процесс под названием MTG (MTG от «Methanol To Gasoline») был разработан компанией Mobil в начале 1970-х годов и проходит испытания на демонстрационном заводе Jincheng Anthracite Mining Group (JAMG) в Шаньси, Китай. На основе этого синтеза метанола Китай также разработал мощную отрасль переработки угля в химикаты с такими продуктами, как олефины , МЭГ , ДМЭ и ароматические соединения .
Реакция метанирования преобразует синтез-газ в заменитель природного газа (SNG). Газификационный завод Great Plains в Беуле, Северная Дакота, является предприятием по переработке угля в SNG, производящим 160 миллионов кубических футов SNG в день, и работает с 1984 года. [18] Несколько заводов по переработке угля в SNG работают или находятся в стадии проектирования в Китае, Южной Корее и Индии.
В другом применении газификации водород, извлеченный из синтетического газа, реагирует с азотом, образуя аммиак . Затем аммиак реагирует с диоксидом углерода, образуя мочевину . [19]
Вышеуказанные примеры коммерческих установок, основанных на процессах непрямого сжижения угля, а также многие другие, не перечисленные здесь, включая те, которые находятся на стадии планирования и строительства, сведены в таблицу в Базе данных по мировой газификации Совета по технологиям газификации. [20]
Обычно процессы сжижения угля связаны со значительными выбросами CO2 в процессе газификации или также в процессе генерации необходимого технологического тепла и электроэнергии для реакторов сжижения, [10] таким образом высвобождая парниковые газы , которые могут способствовать антропогенному глобальному потеплению . Это особенно верно, если сжижение угля проводится без каких-либо технологий улавливания и хранения углерода . [21] Существуют технически осуществимые конфигурации установок CTL с низким уровнем выбросов. [22]
Еще одним неблагоприятным воздействием на окружающую среду является высокое потребление воды в реакции конверсии водяного газа или парового риформинга метана . [10]
Контроль выбросов CO 2 на заводе Erdos CTL во Внутренней Монголии с демонстрационным проектом по улавливанию и хранению углерода включает в себя закачку CO 2 в соленый водоносный горизонт бассейна Эрдос со скоростью 100 000 тонн в год. [23] [ необходим сторонний источник ] По состоянию на конец октября 2013 года с 2010 года было закачано 154 000 тонн CO 2 , что достигло или превысило проектное значение. [24] [ необходим сторонний источник ]
В Соединенных Штатах Стандарт возобновляемого топлива и стандарт топлива с низким содержанием углерода , такие как принятые в штате Калифорния, отражают растущий спрос на топливо с низким углеродным следом . Кроме того, законодательство в Соединенных Штатах ограничило использование альтернативных жидких видов топлива военными только теми, которые продемонстрировали выбросы парниковых газов за жизненный цикл , меньшие или равные выбросам их обычного эквивалента на основе нефти, как того требует Раздел 526 Закона об энергетической независимости и безопасности (EISA) 2007 года. [25]
Вооруженные силы США имеют активную программу по продвижению использования альтернативных видов топлива, [26] и использование огромных внутренних запасов угля США для производства топлива путем сжижения угля имело бы очевидные экономические и защитные преимущества. Но с их более высоким углеродным следом, топливо из сжижения угля сталкивается со значительной проблемой сокращения выбросов парниковых газов в течение жизненного цикла до конкурентоспособных уровней, что требует постоянных исследований и разработок технологий сжижения для повышения эффективности и сокращения выбросов. Необходимо будет проводить ряд исследований и разработок, включая:
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 реактивному топливу, которое будет как экономически эффективным, так и соответствовать разделу 526 EISA. [27] Проекты, реализуемые в этой области, описаны в разделе НИОКР по синтезу усовершенствованных видов топлива Национальной энергетической технологической лаборатории Министерства энергетики США в Программе по переработке угля и угольно-биомасса в жидкости.
Ежегодно исследователь или разработчик в области переработки угля награждается отраслью, получая премию World Carbon To X Award. Лауреатом премии 2016 года стал г-н Джона Пиллэй, исполнительный директор по газификации и CTL компании Jindal Steel & Power Ltd (Индия). Лауреатом премии 2017 года стал д-р Яо Минь, заместитель генерального директора компании Shenhua Ningxia Coal Group (Китай). [28]
С точки зрения коммерческого развития, переработка угля переживает сильное ускорение. [29] Географически большинство активных проектов и недавно введенных в эксплуатацию объектов расположены в Азии, в основном в Китае, в то время как проекты в США были отложены или отменены из-за разработки месторождений сланцевого газа и сланцевой нефти.
{{cite encyclopedia}}
: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ){{cite journal}}
: Цитировать журнал требует |journal=
( помощь ){{cite journal}}
: Цитировать журнал требует |journal=
( помощь ){{cite journal}}
: Цитировать журнал требует |journal=
( помощь ){{cite journal}}
: Цитировать журнал требует |journal=
( помощь )CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )