Hiilen nesteyttäminen

Hiilen nesteyttäminen, CTL ( englanniksi Coal to Liquids ), hiilen (coals) nesteyttäminen on tekniikka nestemäisen polttoaineen tuottamiseksi raakahiilestä . Mahdollistaa perinteisten bensiinin kuluttajien (esimerkiksi moottoriajoneuvojen) käytön öljypulan olosuhteissa. Tämä on yleinen termi prosessiperheelle nestemäisten polttoaineiden tuottamiseksi kivihiilestä. Tietyt nesteytystekniikat jaetaan yleensä kahteen luokkaan: suorat hiilen nesteyttämisprosessit (DCL) ja epäsuorat hiilen nesteyttämisprosessit (ICL). Epäsuorat nesteytysprosessit sisältävät tyypillisesti hiilen kaasuttamisen hiilimonoksidin ja vedyn seokseksi ( synteesikaasuksi ) ja sitten Fischer-Tropsch-prosessin käyttämisen synteesikaasuseoksen muuttamiseksi nestemäisiksi hiilivedyiksi. Sitä vastoin suorassa nesteytysprosessissa kivihiili muunnetaan suoraan nesteiksi ilman välikaasutusvaihetta hajottamalla sen orgaaninen rakenne käyttämällä liuottimia tai katalyyttejä korkeassa paineessa ja lämpötilassa. Koska nestemäisillä hiilivedyillä on tyypillisesti suurempi vety-hiili-moolisuhde kuin hiilellä, ICL- ja DCL-tekniikoissa on käytettävä joko hydraus- tai hiilenpoistoprosesseja. XXI vuosisadan alussa. tunnetaan seuraavat hiilen prosessoinnin pääprosessit nestemäisten tuotteiden lopullisella tuotannolla: kaasutus ja sitä seuraava synteettisten polttoaineiden tuotanto synteesikaasuun perustuen , hydraus , pyrolyysi jne. " Lämpö liukeneminen ". Useimpien kiinteiden fossiilisten polttoaineiden optimaalinen liukenemislämpötila on 380–450 °C, paine 2–15 MPa, prosessin kesto 20–60 min. Kivihiilen tyypistä ja nesteytysprosessista riippuen nestemäisen tuotteen saanto on 75-85 %.

Vuoteen 2030 mennessä nesteytetyn hiilen osuuden polttoainevarojen kokonaisrakenteesta ennustetaan nousevan 20 prosenttiin.

Historiallinen tausta

Hiilen nesteyttäminen kehitettiin alun perin 1900-luvun alussa. Tunnetuin CTL ( Coal to Liquid ) -prosessi on Fischer-Tropsch (FT) -synteesi, joka on nimetty 1920-luvun Kaiser Wilhelm Instituten keksijöiden Franz Fischerin ja Hans Tropschin mukaan . FT:n synteesi on epäsuoran hiilen nesteytystekniikan (ICL) perusta. Friedrich Bergius , myös saksalainen kemisti, keksi vuonna 1913 suoran hiilen nesteyttämisen (DCL) keinona muuttaa ruskohiili synteettiseksi öljyksi ( Bergius -prosessi ).

Hiilen nesteyttämisestä tuli kiinteä osa Saksan teollisuutta toisen maailmansodan aikana. Hiilen nesteyttäminen oli tärkeä osa Adolf Hitlerin neljän vuoden suunnitelmaa vuodelle 1936. 1930-luvun puolivälissä yritykset, kuten I.G. Farben ja Rourchemy aloittivat kivihiilestä johdettujen synteettisten polttoaineiden kaupallisen tuotannon. Tämä johti kahdentoista hydrausta käyttävän DCL-laitoksen rakentamiseen ja yhdeksän Fischer-Tropsch-synteesiä käyttävän ICL-laitoksen rakentamiseen toisen maailmansodan loppuun mennessä . Kaiken kaikkiaan CTL toimitti 92 prosenttia Saksan lentopolttoaineesta ja yli 50 prosenttia öljyvaroista 1940-luvulla. DCL- ja ICL-laitokset täydensivät tehokkaasti toisiaan eivätkä kilpaili keskenään. Syynä tähän on se, että hiilen hydrauksella saadaan korkealaatuista bensiiniä lentokoneisiin ja moottoreihin, kun taas FT-synteesi tuottaa pääasiassa korkealaatuista dieselpolttoainetta, voiteluöljyä ja vahoja sekä joitakin pienempiä määriä huonolaatuista moottoribensiiniä. DCL-laitokset olivat myös edistyneempiä, sillä ruskohiili – ainoa monissa osissa Saksaa saatavilla oleva kivihiili – toimi paremmin hydrauksessa kuin FT-synteesissä. Sodan jälkeen Saksa joutui luopumaan synteettisten polttoaineiden tuotannosta, koska se kiellettiin Potsdamin konferenssissa vuonna 1945.

Etelä- Afrikan unioni kehitti oman CTL-teknologiansa 1950-luvulla. South African Coal, Oil and Gas Corporation ( Sasol ) perustettiin vuonna 1950 osana teollistumisprosessia, jonka Etelä-Afrikan hallitus piti välttämättömänä jatkuvan taloudellisen kehityksen ja autonomian kannalta. Etelä-Afrikalla ei kuitenkaan ollut kotimaisia öljyvaroja, mikä teki maasta erittäin haavoittuvan ulkopuolisille toimitushäiriöille. Sasol oli onnistunut tapa suojella maata sen kasvavalta riippuvuudelta ulkomaisesta öljystä. Vuosien ajan sen päätuote oli synteettinen polttoaine, ja yritys sai merkittävää valtion suojaa apartheid -vuosina panoksestaan maan energiavarmuuteen. Vaikka öljyn louhinta kivihiilestä oli yleensä paljon kalliimpaa kuin luonnonöljystä, poliittinen ja taloudellinen merkitys mahdollisimman suuren riippumattomuuden saavuttamiselle tällä alalla riitti voittamaan kaikki vastalauseet. Varhaiset yritykset houkutella yksityistä pääomaa, ulkomaista tai kotimaista, epäonnistuivat, ja vain valtion tuella voitiin aloittaa hiilen nesteyttäminen. CTL:llä oli edelleen tärkeä rooli Etelä-Afrikan kansantaloudessa, sillä se vastasi noin 30 % kotimaisesta polttoaineen kysynnästä. 1990-luvun demokratisoituminen johti Sasolin etsimään tuotteita, joista voisi tulla kilpailukykyisempiä globaaleilla markkinoilla, ja uudesta vuosituhannen vaihteesta lähtien Sasol on keskittynyt pääasiassa petrokemian liiketoimintaansa sekä pyrkimyksiin muuttaa maakaasu raakaöljyksi ( GTL ) ja käyttää hänen kokemustaan Fischer-Tropsch-synteesissä.

CTL-tekniikka on kehittynyt jatkuvasti toisen maailmansodan jälkeen. Teknologinen kehitys on johtanut monien järjestelmien luomiseen, jotka pystyvät käsittelemään monenlaisia hiilityyppejä. Nestemäisten polttoaineiden tuottamiseksi kivihiilestä on kuitenkin tehty vain muutamia hankkeita, joista suurin osa perustuu ICL-teknologiaan. Menestynein on eteläafrikkalainen yritys Sasol. CTL sai myös uutta kiinnostusta 2000-luvun alussa mahdollisena vaihtoehdona vähentää riippuvuutta öljystä, kun öljyn hinnan nousu ja huoli öljyhuipusta pakottivat suunnittelijat harkitsemaan uudelleen olemassa olevia nestemäisten polttoaineiden toimitusketjuja.

Perinteiset käsittelytavat

Hiili → synteesikaasu → hiilivetyjen tuotanto Fischer-Tropsch-menetelmällä .
Hiili → synteesikaasu → metanolin tuotanto Fischer-Tropsch-menetelmällä → moottoripolttoaineiden tuotanto Mobile-prosessilla (metanoli → DME → hajoaa alkeeneiksi → polymeroituu ja syklisoituu alkaaneiksi , sykloalkaaneiksi ja aromaateiksi [1] ).
- hiilen tuhoava hydraus ( Bergius-prosessi ).

Siellä on myös tietoa lupaavasta käsittelymenetelmästä:

Muutokset eettereiden seoksessa [2] .

Hydraus (hydraus)

Suuri määrä katalyyttisiä reaktioita liittyy vetyatomin ja jonkin muun molekyylin aktivoitumiseen, mikä johtaa niiden kemialliseen vuorovaikutukseen. Tätä prosessia kutsutaan hydraukseksi, ja se on useiden vaiheiden taustalla öljynjalostuksessa ja nestemäisten polttoaineiden tuotannossa hiilestä ( Bergius-prosessi ). Lentobensiinin ja moottoripolttoaineen tuotanto kivihiilestä kehitettiin Saksassa toisen maailmansodan aikana, koska tässä maassa ei ole öljykenttiä. Ensimmäisen kaupallisen vetykrakkausprosessin toteutti IG Farben Industrie vuonna 1927 ruskohiilibensiinin tuottamiseksi . Bergius-prosessi on vedyn suora lisääminen hiileen. Kivihiiltä kuumennetaan paineen alaisena vedyn läsnä ollessa ja saadaan nestemäinen tuote, joka jalostetaan sitten lentobensiiniksi ja moottoripolttoaineeksi. Katalyyttinä käytetään rautaoksidia, samoin kuin tina- ja molybdeenipohjaisia katalyyttejä. Sodan aikana saatiin noin 1400 tonnia nestemäistä polttoainetta päivässä 12 Saksan tehtaalla Bergius-prosessilla. Toinen prosessi, Fischer-Tropsch, koostuu kahdesta vaiheesta. Ensin kivihiili kaasutetaan, eli se saatetaan reagoimaan vesihöyryn ja hapen kanssa ja saadaan vedyn ja hiilioksidien seos. Tämä seos muunnetaan nestemäiseksi polttoaineeksi käyttämällä rautaa tai kobolttia sisältäviä katalyyttejä. Sodan päättyessä synteettisen polttoaineen tuotanto hiilestä Saksassa lopetettiin. Öljyn vientikiellon jälkeisen öljyn hinnannousun seurauksena vuosina 1973-1974 pyrittiin voimakkaasti kehittämään taloudellisesti kannattavaa menetelmää bensiinin valmistamiseksi kivihiilestä. Siten hiilen suora nesteyttäminen voidaan suorittaa tehokkaammin käyttämällä kaksivaiheista prosessia, jossa kivihiili saatetaan ensin kosketukseen alumiinioksidi-koboltti-molybdeeni-katalyytin kanssa suhteellisen alhaisessa ja sitten korkeammassa lämpötilassa.

Metanoli bensiiniksi

Metanolista bensiiniksi tai metanolista bensiiniksi lyhyesti MTG on kemiallinen prosessi bensiinin valmistamiseksi metanolista.

Prosessi on hyödyllinen valmistettaessa bensiiniä maakaasusta tai hiilestä öljyn sijaan. Prosessin kehitti 70-luvulla Mobil (nykyisin ExxonMobil ). Kivihiili tai maakaasu muunnetaan ensin synteesikaasuksi ja sitten metanoliksi. Metanoli dehydratoidaan sitten dimetyylieetteriksi (DME). Dimetyylieetteri dehydratoidaan sitten edelleen katalyytillä. Kemiallinen reaktio etenee seuraavasti:

$\mathrm {n\ CH_{3}OH\to \textstyle {\frac {n}{2}}\ CH_{3}OCH_{3}+\textstyle {\frac {n}{2}}\ H_{2}O\to \mathrm {koolwaterstoffen\ formula:} \ (CH_{2})_{n}+n\ H_{2}O}$ : Metanolin konversioaste vähintään viisi hiiliatomia sisältäviksi hiilivedyiksi 80 %. Katalyytti on yleensä zeoliitti , kuten ZSM-5 . ZSM-5 menettää aktiivisuutensa hiilen kertymisen vuoksi. Katalyytti on sitten regeneroitava polttamalla hiiltä ilmassa lämpötilassa 500 °C. Mahdollisten regeneraatioiden määrä on rajoitettu ja lopulta katalyytti on vaihdettava.

Taloustiede

17. elokuuta 2006 Wall Street Journal huomautti, että öljyn täytyi pysyä yli 30–35 dollarin tynnyriltä ollakseen kannattavaa. Etelä-Afrikassa sijaitseva Sasol on maailman suurin nesteytetyn hiilen tuottaja. Etelä-Afrikassa ei ole öljyä, mutta hiiltä on runsaasti. 1950-luvulta lähtien Sasol aloitti hiilen nesteytyslaitoksen käytön, joka tuottaa 150 000 tynnyriä nesteytettyä hiiltä päivässä korvaamalla kolmanneksen Etelä-Afrikan öljyntarpeesta. (Ottaen huomioon, että Venäjä tuottaa 10,3 miljoonaa barrelia päivässä ja Saudi-Arabia 99,5 miljoonaa tynnyriä raakaöljyä toukokuussa 2017, tämä on erittäin alhainen) Sasol Limitedin osuus Etelä-Afrikan autojen polttoainemarkkinoista on tällä hetkellä 20 %. "Hiilen nesteytyslaitoksemme on taloudellisesti kannattava, jos raakaöljyn maailmanmarkkinahinnat ovat yli 16-17 dollaria tynnyriltä", sanoi Sasolin teknologiajohtaja John Bocca. Huhtikuussa 2017 Dubain keskimääräinen öljyn hinta Lähi-idässä oli 52,3 dollaria tynnyriltä.

Sasol rakentaa parhaillaan 27 hiilen nesteytyslaitosta Ningboon, Kiinaan. 80 000 tynnyriä öljyä päivässä (noin 4 miljoonaa tonnia vuodessa) tuottavan laitoksen rakentamiseen tarvitaan kuusi miljardia dollaria.

Synteettinen bensiini toisen maailmansodan aikana

Hiilen nesteytystutkimusta tehtiin 1920-luvulla Saksassa pääasiassa siksi, että maa erotettiin öljylähteistä ensimmäisen maailmansodan jälkeen. Ensimmäisen nesteytysprosessin keksivät Franz Fischer ja Hans Tropsch keisari Wilhelm-instituutista. Toisen maailmansodan aikana sitä käytettiin bensiinin valmistukseen Saksan ja Japanin aseistautumiseen. Huipussaan Saksa tuotti 124 000 barrelia bensiiniä päivässä, yhteensä 6,5 miljoonaa tonnia vuonna 1944.

Nestemäisten polttoaineiden saaminen hiilestä tislaamalla

Nestemäisten hiilivetypolttoaineiden tuotanto ruskohiilestä kuivatislauksella leviää nopeasti [3] [4] . Tislauksen jälkeen jäännös soveltuu noen saamiseksi . Siitä uutetaan palavaa kaasua , saadaan hiili- alkalireagensseja ja montaanivahaa (vuorivahaa) .

Liptobioliiteille on ominaista lisääntynyt haihtuvien aineiden saanto (45-57%), primäärihartsi kuivatislauksen aikana, korkea vetypitoisuus, korkea lämpöarvo (34,3-36,4 MJ / kg) ja alhainen tuhkapitoisuus (8-9%).

Sapropeliitit ovat massiivisia viskooseja ruskean, ruskeanharmaan ja mustan värisiä kiviä , jotka sisältävät koostumuksessaan 55-70% haihtuvia aineita (60-90% [5] ).

Taulukko - Puolikoksaustuotteiden saanto ( % kuivapaino)

TGK:n tyyppi	hiiltyä	primäärihartsi	Pyrogeneettinen vesi	primäärikaasu
Turve	33,6-50,9	7.7-23.1	14.2-26.8	15.9-31.8
Podmoskovnyn ruskohiili	71,0-76,0	5.5-14.3	2.5-12.6	5,8-21,0
Aleksandrian ruskea hiilet	55,4-61,8	10.6-15.8	7.4-9.2	18.3-21.1
Kizelovskin hiilet	73,0	16.7	2.5	7.8
Donetskin hiilet :
merkki D	70,1-74,3	10.3-18.1	3.1-8.7	10.7-16.5
merkki G	75.8	10.3	3.6	10.3
merkki K	84.8	5.8	1.7	7.7
PS arvosanat	91.1	2.4	0.5	6.0
Sapropeliitti ( balkhashiitti )	10.3	65.9	8.4	15.4
Liptobioliitti ( pyropisiitti )	13.2	68.3	3.8	14.7
Baltian öljyliuske	52,6-86,4	8.2-34.1	1,8-9,9	2.7-6.1
Volgan öljyliuske	75,6-79,1	9.6-11.6	6.4-7.2	4,9-5,7
Baltian öljyliuske	14,2*	59,0*	8.1*	18,7*

palavaa massaa varten

Katso myös

Muistiinpanot

↑ Mobiiliprosessi (linkki ei saavutettavissa) . Haettu 25. toukokuuta 2019. Arkistoitu alkuperäisestä 1. marraskuuta 2014. (määrätön)
↑ Uuden hiilen nesteytystekniikan kaupallinen arviointi (pääsemätön linkki) . Haettu 21. helmikuuta 2022. Arkistoitu alkuperäisestä 25. toukokuuta 2019. (määrätön)
↑ Energiasijoitusyhtiö (linkki ei saavutettavissa)
↑ Vaihtoehtoiset näkökulmat: CWF (hiilipolttoaine), CCGT ja synteettiset polttoaineet . Haettu 31. toukokuuta 2019. Arkistoitu alkuperäisestä 31. heinäkuuta 2014. (määrätön)
↑ Sapropeliitit - artikkeli Suuresta Neuvostoliiton Encyclopediasta . V. Uspensky, O. Radchenko.

Kirjallisuus

Kuznetsov B. N., Shendrik T. G. , Shchipko M. L., Chesnokov N. V., Sharypov V. I., Osipov A. M. Ruskohiilen syväkäsittely nestemäisten polttoaineiden ja hiilimateriaalien tuotannossa / Toim. toim. GI Gritsko / Kemian ja kemiantekniikan instituutti SB RAS, Fysikaalisen orgaanisen kemian ja hiilikemian instituutti. L. M. Litvinenko NASU // Novosibirsk: SO RAN , 2012. - 212 s. ISBN 978-5-7692-1258-1 .
Coal - To - Liquids (CTL) & Fischer - Tropsch Processing (FT) // Indiana Center for Coal Technology Research, Purdue, 2007
Nestemäiset polttoaineet US Coalista // National Mining Association, USA
Miksi nestemäinen kivihiili ei ole varteenotettava vaihtoehto siirtää Amerikkaa öljyn ulkopuolelle // Natural Resources Defense Council , joulukuu 2011
ARVIOINTI MAAILMANLAAJUISESTA HIILESTÄ NESTEISIIN. T-, K&K-TOIMINNAT JA LISÄALOITTEIDEN TARVE EUROOPASSA // IEA Clean Coal Centre, kesäkuu 2009