Ожижение угля

Сжижение угля (также гидрирование угля ; англ. « Уголь-жидкость» - или процесс CtL ) описывает химические процессы, которые производят жидкие углеводороды из твердого угля .

Процесс Бергиус-Пирс прямого гидрирования угля был использован для генерирования газов, карбюратора и дизельных топлив . Необходимый для этого водород получают путем газификации угля . Жидкие углеводородные продукты также получают путем извлечения угля с помощью переносящих водород растворителей под давлением, как в процессе Потта-Броше . Непрямые процессы, такие как синтез Фишера-Тропша, используют синтез-газ , смесь монооксида углерода и водорода от газификации угля, для наращиванияУглеводороды .

Обе процедуры существенно различаются. В процессе Бергиуса-Пьера углеродная структура разбивается на более простые молекулы посредством гидрирования водородом, в то время как в процессе Фишера-Тропша углеводороды образуются из окиси углерода и водорода. Продукты процесса Бергиуса-Пьера имеют более высокое содержание ароматических веществ и более высокое октановое число, тогда как продукты процесса Фишера-Тропша являются более парафиновыми, а компоненты с более высокой молекулярной массой подходят в качестве основного продукта для химической промышленности.

Мотивом для широкомасштабного использования сжижения угля является замена сырой нефти в нефтехимическом и энергетическом секторах. Эти процессы становятся более важными, когда сырая нефть недоступна в достаточных количествах, например, на фоне усилий по обеспечению самообеспечения в Германии во времена национал-социализма, а также в ГДР или даже сегодня частично в Южной Африке и Народной Республике. Китайская Республика .

история

Фридрих Бергиус

Еще в 1913 году Фридрих Бергиус получил патент на способ производства жидких или растворимых органических соединений из каменного угля и т.п. , за что в 1931 году был удостоен Нобелевской премии по химии. В результате процесса ожижения угля Бергиуса было получено «100 кг каменного угля и 40 кг тяжелой нефти с добавлением 5 кг оксида железа и 5 кг водорода при 120-150 атм и температуре от 450 до 480 ° C, около 30 ° C. кг легкой нефти и 50 кг тяжелой нефти и асфальта, в дополнение к 20 кг газа, в основном метана и этана ». В 1920-х годах немецкая химическая промышленность довела этот процесс до промышленной зрелости. Свинцовый завод был заводом Leuna компании IG Farben около Мерзебурга , который был введен в эксплуатацию еще в 1927 году (см. Бензин Leuna ).

Процесс Бергиуса впервые приобрел большее значение в нацистскую эпоху для производства синтетического бензина. В дополнение к низкой, но в то время все еще заслуживающей внимания добыче нефти в Германии, в Румынии условно были доступны только запасы сырой нефти . Между 1936 и 1943 годами в Германии было построено еще одиннадцать заводов по гидрогенизации, общая мощность которых вместе с заводом в Лойне составила около 4 миллионов тонн. Лигнит или бурый уголь смолы были использованы в качестве сырья в LEUNA , Болен , магдебургскими , Zeitz , Весселинг и Brux растений , в то время как каменный уголь , нефть, пека или смолы были использованы в Scholven , Gelsenberg , Pölitz , Welheim и растений Blechhammer .

В 1925 году Франц Фишер и Ханс Тропш подали заявку на патент на способ непрямого ожижения. В соответствии с технологией Фишера-Тропша в период с 1935 по 1939 год в Германии было построено девять заводов, самый крупный завод Фишера-Тропша производительностью 210 000 т / год располагался в Руланд-Шварцхайде . Общая мощность девяти заводов составила около 740 000 т / год.

После систематического разрушения объектов авианалётами союзников в мае 1944 г. объекты были также построены под землей ( программа Гейленберга ). Часть производства проходила с участием подневольных рабочих и в вспомогательных лагерях.

После войны сжижение угля больше не использовалось в Западной Германии из-за низких цен на нефть. Напротив, ГДР продолжала политику самодостаточности, практикуемую в «Третьем рейхе», наряду с использованием гидрогенизационных заводов, построенных в 1930-х годах. К ним относятся, например, VEB Synthesewerk Schwarzheide (ранее BRABAG ), который производит производство с использованием процесса Фишера-Тропша, или завод гидрогенизации Zeitz , где до 1990 года бурый каменноугольный деготь превращался в бензин, дизельное топливо, смазочные масла и парафины с использованием TTH процесс . Технология TTH основана на методе Бергиуса Пьера и широко использовалась в BRABAG еще в 1939 году. Конечная температура в камерах гидрирования примерно на 100 ° C ниже, чем в процессе Бергиуса-Пьера, поэтому этот процесс известен как низкотемпературное гидрирование (TTH).

В Федеративной Республике Германии в результате первого «нефтяного кризиса» 1973 года в рамках программы энергетических исследований, принятой федеральным правительством в 1974 году, было создано семь пилотных установок по переработке угля (газификация и сжижение), которые были введены в эксплуатацию. эксплуатация с 1977 по 1980 гг. С 1980 года было запланировано строительство 14 крупных заводов с общим потреблением 22 миллионов тонн твердого и бурого угля в год. Однако снижение цен на нефть в середине 80-х годов сделало эти планы устаревшими. Впоследствии опытные установки постепенно выходили из строя. Завод по производству каменноугольного масла в Ботропе был первоначально переоборудован для гидрогенизации химических и пластиковых отходов. Последний очень маленький завод, который все еще работает в Эссене с производительностью около 200 кг / день, был демонтирован в 2004 году и реконструирован для China Shenhua Energy в Китае.

Вдохновленный развитием технологии высокотемпературных реакторов , обсуждалось, как генерировать необходимое технологическое тепло с помощью ядерных реакторов и, таким образом, достичь более высокого КПД. Среди прочего, отношения HTR / CtL объясняют, почему технология HTR получает дальнейшее развитие в Китае и Южной Африке. Осенью 2010 года разработка HTR в ЮАР была полностью остановлена. Недавние научные результаты вызывают сомнения в том, что температуры, необходимые для CtL, могут быть достигнуты с помощью реакторов с галечным слоем, варианта высокотемпературных реакторов, продвигаемых в Германии до 1990 года.

В Южно-Африканском союзе , промышленность которого имела доступ к очень большим запасам угля, но была вынуждена импортировать сырую нефть, первая современная установка CtL в Южной Африке недалеко от Сасолбурга была введена в эксплуатацию в 1955 году в результате политически мотивированных усилий по обеспечению самообеспеченности . Его построила компания Suid Afrikaanse Steenkool en Olie (Sasol) при участии немецкой Lurgi AG . Пилотная установка Sasol 1 была рассчитана на выработку около 6000 баррелей топлива в день. Несмотря на низкие затраты на уголь, добываемый в тогдашнем Трансваале , производимое топливо приходилось субсидировать до 1960-х годов. Процесс постоянно улучшался, и, наконец, он стал экономичным.

Дальнейшие производственные мощности, названные Sasol II, были запланированы для города Секунда в результате нефтяного кризиса около 1973 года и построены с 1976 года. Он был введен в эксплуатацию в середине 1981 г. Планирование Сасола III происходило под влиянием краха режима Мохаммада Реза Пехлеви в Иране в 1979 году в результате исламской революции . Sasol III был копией оборудования Sasol II и вышел на полную производственную мощность в 1985 году. Причины расширения возможностей сложны и в основном их можно найти в растущей милитаризации Южной Африки, усилении внешнеполитической конфронтации в рамках общей стратегии и в продолжающихся международных эмбарго против политики апартеида . Производительность 104 000 баррелей в сутки теперь доступна в Южной Африке. С политическим открытием после 1994 года программа была расширена за счет включения природного газа в качестве источника сырья, а в 1995 и 1998 годах были созданы дополнительные мощности для производства 124 000 баррелей топлива CtL и GtL в день .

Процедура

Различают косвенные процессы, которым предшествует газификация угля , и процессы, которые непосредственно гидрируют уголь, а также процессы экстракции.

Процедура на пирсе Бергиуса

Руины завода на месте бывшего завода по гидрогенизации Pölitz недалеко от Штеттина, ныне полиция (Польша)

Процесс Bergius Pier - это крупномасштабный процесс, в котором углеводороды производятся путем гидрогенизации угля водородом в экзотермической химической реакции . Он назван в честь Фридриха Бергиуса и Матиаса Пьера . С помощью высокоактивных катализаторов, таких как хлорид аммония и оксалат олова , уголь нагревают при давлении водорода около 300 бар и температуре от 470 до 490 ° C. Для недорогих катализаторов, таких как оксид железа , так называемая масса Байера, требуется давление до 700 бар. Другие источники также дают более низкие давления в зависимости от катализатора. Ассортимент продуктов зависит от условий реакции (давление водорода, температура, время пребывания) и способа проведения реакции (гидрогенизация в отстойнике или гидрогенизация в газовой фазе). В результате в основном получаются жидкие фракции, которые используются в качестве топлива или топочного мазута. Используемый уголь должен быть механически доведен до зольности примерно от 4 до 6%. Битуминозные угли можно использовать невысушенными, бурые угли необходимо предварительно высушить до содержания воды от 5 до 10%.

Схема процедуры Бергиуса-Пьера

В случае гидрогенизации в отстойнике катализатор добавляют к мелко измельченному углю, который суспендирован в растворителе и находится под давлением водорода. Продуктами являются газ, бензин и каменноугольные масла в виде легкой, средней и тяжелой нефти, которые разделяются путем перегонки. Твердые компоненты центрифугируют. Полученное масло, так называемая тонкая фракция, используется для затирания при обогащении угля. Твердые компоненты тлеют для дальнейшего извлечения масел. Тлеющий кокс - твердый продукт.

Синтез Фишера-Тропша

В процессе Фишера-Тропша первоначально происходит при очень высоких температурах (более 1000 ° C) газификация угля водяным паром и воздухом или кислородом до прореагировавшего угольного синтез-газа , который вступает в реакцию, после удаления оксидов азота и диоксида серы каталитически превращается. углеводородам и воде. Конечными продуктами являются бензин ( синтетический бензин ), дизельное топливо и мазут, а также ароматические углеводороды для химической промышленности.

Это косвенное ожижение угля более экономично, чем прямое ожижение угля. Из-за высокого энергопотребления и связанного с этим выделения CO 2 во время производства - в процессе Фишера-Тропша примерно вдвое выше, чем в случае с нефтью - производимые вещества значительно более вредны для климата, чем соответствующие нефтепродукты.

Добыча угля

Для экстракции угля используются растворители, которые при выбранных условиях экстракции могут передавать водород углю при гидрогенизации с переносом . Тетралин , который окисляется до нафталина во время экстракции, зарекомендовал себя . Нафталин можно отделить и снова превратить в тетралин путем гидрирования. Процесс осуществляется под давлением при определенных температурах и времени пребывания около трех часов, в зависимости от типа угля. Последние исследования включают реактивную экстракцию лигнита, в том числе этанолом.

важность

По причинам стоимости процессы ожижения угля в настоящее время не имеют большого экономического значения. Если цены на нефть сохранятся, ситуация может измениться.

Заводы по сжижению угля в Южной Африке имеют особое коммерческое значение, поскольку производительностью 160 000 баррелей в день они покрывают около одной трети потребления топлива в Южной Африке. Компания Sasol управляет тремя заводами Фишера-Тропша; планируется строительство четвертого завода. Продукт синтеза может быть произведен здесь по цене около 25 долларов за баррель. Помимо технологического процесса, который разрабатывался десятилетиями, решающее значение имеют низкие затраты на добычу угля в непосредственной близости от участка и низкие затраты на заработную плату.

В Китайской Народной Республике планируется построить два завода по сжижению угля в провинциях Нинся и Шэньси . Каждый завод должен иметь мощность 80 000  баррелей в день (приблизительно 12 720 м 3 / день) и работать по технологии южноафриканской компании Sasol. В Австралии Monash Energy, сотрудничество между Anglo American и Shell , планирует крупный долгосрочный проект, который будет включать в себя недавно разработанную добычу угля, сжижение угля и связывание CO 2, который в конечном итоге может обеспечить около четверти потребностей Австралии в топливе.

Сжижение угля стоит около 25–45 долларов США за баррель нефтяного эквивалента. Однако цены на нефть в 2010 году уже не были настолько конкурентоспособными с ценами 2016 года.

Опять же, стратегические соображения могут сыграть свою роль. Американские ВВС ( USAF ) начали испытательные полеты в 2006 году с бомбардировщиками B-52 , некоторые из которых работают на синтетическом топливе. Цель состоит в том, чтобы уменьшить зависимость национальной обороны от импорта нефти.
Завод по производству 18 000 баррелей бензина в день в настоящее время строится в округе Минго, штат Западная Вирджиния. Система должна работать в соответствии с процессом PRENFLO, печатной версией процесса Копперс-Тотцека.

Смотри тоже

литература

  • Даниэль Валлентин: ожижение угля, возможности и ограничения , PdN-ChiS, Aulis-Verlag, 1/2009, стр. 17-19
  • Траа Ивонн: «Неизбежно ли возрождение угля? - Проблемы катализа», Chem. Commun. (2010) 46, стр. 2175-2187.

веб ссылки

Индивидуальные доказательства

  1. ^ A b Роберт Хаул: Портрет: Фридрих Бергиус (1884-1949). В кн . : Химия в наше время. 19, 1985, стр. 59-67, DOI: 10.1002 / ciuz.19850190205 .
  2. ↑ б с д е е Карл-Хайнц Шмидт, Инго Romey, Fritz Mensch: уголь, нефть, природный газ: химии и технологии. Vogel, Würzburg 1981, ISBN 3-8023-0684-8 .
  3. ↑ Генри Людмер: Нефть в Германии ( Памятка от 8 сентября 2006 г. в Интернет-архиве ).
  4. ↑ vfkk.de: Принудительный труд ( воспоминание от 22 июня 2007 г. в Интернет-архиве ).
  5. ↑ Марлис Мроцек: Подлагерь концлагерей компании Gelsenberg Petrol AG . Жерминаль, Фернвальд (Аннерод) 2002, ISBN 3-88663-527-9 .
  6. ^ Гюнтер Байерл: переработка бурого угля в Niederlausitzer Revier. Waxmann Verlag, 2009, с. 70.
  7. ^ Bergakademie Freiberg (ed.): Исследовательские книги Фрайбергера. Издание 749. Серия A. Deutscher Verlag für Grundstoffindustrie, 1987, стр. 38.
  8. ↑ Вероника Арндт, Хайдрун Шварц: Завод гидрогенизации Zeitz. история химического предприятия (1937–1996). Zeitzer Innovative Arbeitsfördergesellschaft mbH, 1999, стр. 100 f.
  9. ^ Вильгельм Сибранд Шил: Технические рабочие материалы. Топливо, уголь, нефть, вода. Немецкое издательство основной промышленности, 1962, с. 54.
  10. ↑ Ханс Бейер: Учебник органической химии. Хирзель, 1973, с. 86.
  11. ↑ Отвечая на небольшой вопрос в Бундестаге по программе энергетических исследований, особенно по сжижению угля ( BT-Drs. 10/459 ).
  12. ^ Сигурд Шульен: Энергоснабжение Германии в 21 веке . В: AGAFE-Mitteilungen . Лента 24 , вып. 2 , 2005, с. 10-13 ( PDF ).
  13. ^ Джон Т. Волан, Фаустино Л. (Тино) Прадо: Производство синтетических топливных углеводородов из биомассы с использованием процесса Прадо-Волана Фишера-Тропша . Презентация технического доклада, доклад конференции 7 июня 2008 г. Клируотер (Флорида), Американский институт инженеров-химиков PDF-документ, стр. 4
  14. ↑ Д. Валентин: Сжижение угля - возможности и ограничения. В кн . : Практика естественных наук - химия в школе . Том 58, № 1, 2009 г., стр. 17-19.
  15. ↑ Х. Воллмерштадт: Реактивная экстракция лигнита для производства химического сырья и топлива. В: Chemie Ingenieur Technik 86, 2014, стр. 1363–1364, DOI: 10.1002 / cite.201450427 .
  16. ↑ Спрос приводит к росту цен на уголь . В: Frankfurter Allgemeine Zeitung . 31 июля 2008 г.