Сжижение угля — это процесс преобразования угля в жидкие углеводороды: жидкое топливо и продукты нефтехимии . Этот процесс часто известен как «Уголь в X» или «Углерод в X», где X может представлять собой множество различных продуктов на основе углеводородов. Однако наиболее распространенной технологической цепочкой является «от угля к жидкому топливу» (CTL). [1]
Технология сжижения угля первоначально была разработана в начале 20 века. [2] Самый известный процесс CTL — это синтез Фишера-Тропша (FT), названный в честь изобретателей Франца Фишера и Ганса Тропша из Института кайзера Вильгельма в 1920-х годах. [3] Синтез ФТ лежит в основе технологии непрямого сжижения угля (ICL). Фридрих Бергиус , также немецкий химик, изобрел прямое сжижение угля (DCL) как способ преобразования бурого угля 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, начали промышленное производство синтетического топлива, полученного из угля. Это привело к строительству двенадцати заводов DCL, использующих гидрирование, и девяти заводов ICL, использующих синтез Фишера-Тропша, к концу Второй мировой войны. В общей сложности CTL обеспечивала 92% авиатоплива Германии и более 50% поставок нефти в 1940-е годы. [2] Заводы DCL и ICL скорее дополняли друг друга, чем конкурировали. Причина этого в том, что гидрогенизация угля дает высококачественный бензин для авиации и двигателей, тогда как синтез ФТ в основном дает высококачественное дизельное топливо, смазочные масла и парафины вместе с небольшим количеством автомобильного бензина более низкого качества. Заводы DCL также были более развиты, поскольку бурый уголь – единственный уголь, доступный во многих частях Германии – лучше работал при гидрировании, чем при синтезе 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 корпорация угля, нефти и газа ( Sasol ) была основана в 1950 году как часть 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 к перебоям 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 в годы апартеида этот бизнес пользовался значительной защитой правительства Южной Африки за его вклад в внутреннюю энергетическую безопасность . [6] Хотя добывать нефть из угля, как правило, было гораздо дороже, чем из природной нефти, политическая и экономическая важность достижения как можно большей независимости в этой сфере была достаточной, чтобы преодолеть любые возражения. Первые попытки привлечь частный капитал, иностранный или отечественный, не увенчались успехом, и только при государственной поддержке удалось начать сжижение угля. CTL продолжала играть жизненно важную роль в национальной экономике Южной Африки, обеспечивая около 30% внутреннего спроса на топливо. Демократизация Южной Африки в 1990-е годы заставила Sasol искать продукцию, которая могла бы оказаться более конкурентоспособной на мировом рынке ; в новом тысячелетии компания сосредоточилась в первую очередь на своем нефтехимическом бизнесе, а также на усилиях по преобразованию 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 работать с широким спектром типов угля. Однако было создано лишь несколько предприятий, основанных на производстве жидкого топлива из угля, большинство из них основано на технологии ICL; самым успешным был Sasol в Южной Африке. CTL также вызвал новый интерес в начале 2000-х годов как возможный вариант смягчения последствий снижения зависимости от нефти, в то время как рост цен на нефть и опасения по поводу пика нефти заставили планировщиков переосмыслить существующие цепочки поставок жидкого топлива. Хотя это только один пример из многих те
Конкретные технологии сжижения обычно делятся на две категории: процессы прямого сжижения (DCL) и непрямого сжижения (ICL). В основе прямых процессов лежат такие подходы, как карбонизация , пиролиз и гидрирование . [7]
Процессы непрямого сжижения обычно включают газификацию угля в смесь монооксида 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 жидкость напрямую, не полагаясь на промежуточные этапы, путем разрушения органической структуры угля с применением растворителя-донора водорода , часто при высоких давлениях и температурах. [9] Поскольку жидкие углеводороды обычно имеют более высокое молярное соотношение водорода и углерода, чем уголь, в технологиях ICL и DCL должны использоваться либо процессы гидрирования, 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 . На нем производятся конденсируемая каменноугольная смола , нефть и водяной пар, неконденсирующийся синтетический газ , а также твердый остаток — полукокс .
Одним из типичных примеров карбонизации является процесс Каррика . В этом процессе низкотемпературной карбонизации уголь нагревается при температуре от 680 ° F (360 ° C) до 1380 ° F (750 ° C) в отсутствие воздуха. Эти температуры оптимизируют производство каменноугольной смолы, более богатой более легкими углеводородами, чем обычная каменноугольная смола. Однако любые добываемые жидкости в большинстве своем являются побочным продуктом, а основным продуктом является полукокс – твердое и бездымное топливо. [2]
Процесс COED, разработанный корпорацией FMC , использует для обработки псевдоожиженный слой в сочетании с повышением температуры в ходе четырех стадий пиролиза. Тепло передается горячими газами, образующимися при сгорании части полученного полукокса. Модификация этого процесса, процесс COGAS, предполагает добавление газификации полукокса. [11] Процесс TOSCOAL, аналог процесса автоклавирования сланца TOSCO II и процесса Лурги-Рургаза , который также используется для добычи сланцевого масла , использует для теплопередачи горячие переработанные твердые вещества. [11]
Выходы жидкости при пиролизе и процессе Каррика обычно считаются слишком низкими для практического использования для производства синтетического жидкого топлива. [12] Полученные в результате пиролиза каменноугольные смолы и масла обычно требуют дальнейшей обработки, прежде чем их можно будет использовать в качестве моторного топлива; они обрабатываются путем гидроочистки для удаления частиц серы и азота , после чего окончательно перерабатываются в жидкое топливо. [11]
Таким образом, экономическая жизнеспособность этой технологии сомнительна. [10]
Одним из основных методов прямого преобразования угля в жидкость посредством процесса гидрирования является процесс Бергиуса , разработанный Фридрихом Бергиусом в 1913 году. В этом процессе сухой уголь смешивается с тяжелой нефтью, переработанной в процессе. В смесь обычно добавляют 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 резюмировать следующим образом: [7]
После Первой мировой войны в Германии было построено несколько заводов по этой технологии; эти заводы широко использовались во время Второй мировой войны для снабжения Германии горюче-смазочными материалами. [13] Процесс Колеоля, разработанный в Германии компаниями Ruhrkohle и VEBA , использовался на демонстрационной установке производительностью 200 тонн бурого угля в день, построенной в Боттропе , Германия. Этот завод работал с 1981 по 1987 год. В этом процессе уголь смешивается с рецикловым 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 температуре 470 °C (880 °F). [14] Этот процесс также исследовался компанией 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 переработанным растворителем и синтетическим катализатором на основе железа; после предварительного нагрева добавляют H 2 . Реакция протекает в трубчатом реакторе при температуре от 430 °C (810 °F) до 465 °C (870 °F) и давлении 150–200 бар. Добытая нефть имеет низкое качество и требует интенсивной переработки. [14] Процесс H-Coal, разработанный компанией Hydrocarbon Research, Inc. в 1963 году, смешивает пылевидный уголь с переработанными 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 (по сути, это процесс термического крекинга), высокий расход водорода и ограничение использования масла только в качестве котельного топлива из-за примесей. [11]
Процессы SRC-I и SRC-II (сольвентная очистка угля) были разработаны компанией Gulf Oil и внедрены в качестве пилотных установок в США в 1960-х и 1970-х годах. [14]
Корпорация Nuclear Utility Services разработала процесс гидрирования, который был запатентован Уилберном К. Шредером в 1976 году. В процессе использовался сухой пылевидный уголь, смешанный с примерно 1% молибденовых катализаторов. [7] Гидрирование происходило с использованием синтез-газа высокой температуры и давления , производимого в отдельном газификаторе. В конечном итоге в результате этого процесса был получен синтетический сырой продукт, нафта , ограниченное количество газа C 3 /C 4 , легкие и средние жидкости (C 5 -C 10 ), пригодные для использования в качестве топлива, небольшие количества NH 3 и значительные количества CO. 2 . [15] Другими одностадийными процессами гидрирования являются процесс с использованием донорных растворителей Exxon, процесс высокого давления Имхаузена и процесс хлорида цинка Conoco. [14]
Существует также ряд двухстадийных процессов прямого сжижения; однако после 1980-х годов только каталитический двухстадийный процесс сжижения, модифицированный по сравнению с процессом с водородным углем; процесс экстракции жидким растворителем от компании British Coal ; и японский процесс сжижения бурого угля. [14]
Shenhua , китайская угледобывающая компания, в 2002 году приняла решение построить завод прямого сжижения в Эрдосе, Внутренняя Монголия ( Erdos CTL ), производительностью 20 тыс. баррелей в сутки (3,2 × 10 3 м 3 /сут) жидких продуктов, в том числе дизельное топливо, сжиженный нефтяной газ (СНГ) и нафта (петролейный эфир). Первые испытания были проведены в конце 2008 года. Вторая, более продолжительная испытательная кампания была начата в октябре 2009 года. В 2011 году Shenhua Group сообщила, что установка прямого сжижения работает непрерывно и стабильно с ноября 2010 года и что Shenhua произвела 800 миллионов юаней (125,1 миллиона долларов США) прибыли до уплаты налогов за первые шесть месяцев 2011 года по проекту. [16]
Корпорация Chevron разработала процесс, изобретенный Джоэлом Розенталем, под названием «Процесс сжижения угля Chevron» (CCLP). [17] Он уникален благодаря тесному соединению некаталитического диссольвера и установки каталитической гидроочистки . Добытая нефть имела уникальные свойства по сравнению с другими угольными маслами; он был легче и содержал гораздо меньше примесей гетероатомов. Процесс был масштабирован до уровня 6 тонн в день, но не опробован на коммерческой основе.
Процессы непрямого сжижения угля (ICL) осуществляются в две стадии. На первом этапе уголь перерабатывают в синтез-газ (очищенную смесь газа CO и H 2 ). На втором этапе синтез-газ преобразуется в легкие углеводороды с использованием одного из трех основных процессов: синтеза Фишера-Тропша, синтеза метанола с последующей конверсией в бензин или нефтехимические продукты и метанирования . Фишера-Тропша — старейший из процессов ICL.
В процессах синтеза метанола синтез-газ преобразуется в метанол , который впоследствии полимеризуется в алканы на цеолитном катализаторе. Этот процесс под названием MTG (MTG означает «Метанол в бензин») 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 в Китае также развилась мощная угольная химическая промышленность, производящая такие продукты, как олефины , МЭГ , ДМЭ и ароматические соединения .
Реакция метанирования превращает синтез-газ в заменитель природного газа (СНГ). Завод по газификации Great Plains в Беуле, Северная Дакота, представляет собой завод по переработке угля в СНГ, производящий 160 миллионов кубических футов природного газа в день, и находится в эксплуатации с 1984 года. [18] Несколько заводов по переработке угля в СНГ находятся в эксплуатации или в проекте в Китае, Южной Корее и Индии.
В другом применении газификации водород, извлеченный из синтетического газа, реагирует с азотом с образованием аммиака . Затем аммиак вступает в реакцию с углекислым газом с образованием мочевины . [19]
Вышеупомянутые примеры коммерческих установок, основанных на процессах непрямого сжижения угля, а также многие другие, не перечисленные здесь, в том числе находящиеся на стадии планирования и строительства, занесены в таблицу Всемирной базы данных по газификации Совета по технологиям газификации. [20]
Обычно процессы сжижения угля связаны со значительными выбросами CO 2 в процессе газификации, а также с выработкой необходимого технологического тепла и электроэнергии для реакторов сжижения [10] , что приводит к выбросу парниковых газов , которые могут способствовать антропогенному глобальному потеплению . Это особенно актуально, 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 негативным экологическим эффектом является высокий расход воды в реакциях конверсии вода-газ или паровой конверсии метана . [10]
Контроль выбросов CO 2 на заводе Erdos CTL во Внутренней Монголии с демонстрационным проектом по улавливанию и хранению углерода предполагает закачку CO 2 в соленый водоносный горизонт бассейна Эрдос в размере 100 000 тонн в год. [23] [ необходим сторонний источник ] По состоянию на конец октября 2013 года с 2010 года было закачено 154 000 тонн CO 2 , что достигло или превысило проектное значение. [24] [ нужен сторонний источник ]
В Соединенных Штатах Стандарт возобновляемого топлива и стандарт низкоуглеродного топлива , принятый, например, в штате Калифорния, отражают растущий спрос на топливо с низким выбросом углекислого газа . Кроме того, законодательство в Соединенных Штатах ограничило использование военными альтернативных жидких видов топлива только теми, которые продемонстрировали, что выбросы парниковых газов в течение жизненного цикла меньше или равны выбросам их обычного нефтяного эквивалента, как того требует раздел 526 Закона об энергетической независимости. Закон о безопасности (EISA) 2007 г. [25]
У вооруженных сил США есть активная программа по продвижению использования альтернативных видов топлива, [26] и использование огромных внутренних запасов угля в США для производства топлива посредством сжижения угля будет иметь очевидные экономические преимущества и преимущества в плане безопасности. Но из-за более высокого углеродного следа топлива, получаемые при сжижении угля, сталкиваются с серьезной проблемой сокращения выбросов парниковых газов в течение жизненного цикла до конкурентоспособного уровня, что требует продолжения исследований и разработок технологий сжижения для повышения эффективности и сокращения выбросов. Необходимо будет реализовать ряд направлений исследований и разработок, в том числе:
С 2014 года Министерство энергетики США и Министерство обороны США сотрудничают в поддержке новых исследований и разработок в области сжижения угля для производства жидкого топлива военного назначения с упором на авиационное топливо, которое будет экономически эффективным. и в соответствии с разделом 526 EISA. [27] Проекты, реализуемые в этой области, описаны в разделе исследований и разработок Национальной лаборатории энергетических технологий Министерства энергетики США в области исследований и разработок по синтезу передового топлива в рамках программы «Уголь и уголь-биомасса в жидкости».
Каждый год исследователь или разработчик в области переработки угля награждается отраслью наградой 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 доктор Яо Минь, заместитель генерального директора Shenhua Ningxia Coal Group (Китай). [28]
С точки зрения коммерческого развития, переработка угля переживает сильный ускорение. [29] Географически большинство активных проектов и недавно введенных в эксплуатацию предприятий расположены в Азии, в основном в Китае, в то время как проекты в США были отложены или отменены из-за разработки сланцевого газа и сланцевой нефти.
{{cite encyclopedia}}
: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ){{cite journal}}
: Требуется цитировать журнал |journal=
( помощь ){{cite journal}}
: Требуется цитировать журнал |journal=
( помощь ){{cite journal}}
: Требуется цитировать журнал |journal=
( помощь ){{cite journal}}
: Требуется цитировать журнал |journal=
( помощь )CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )