Szén cseppfolyósítása

A szén cseppfolyósítása, CTL ( angolul  Coal to Liquids ), a szén (szén) cseppfolyósítása a nyersszénből folyékony üzemanyag előállítására szolgáló technológia . Lehetővé teszi a hagyományos benzinfogyasztók (például gépjárművek) használatát olajhiány esetén. Ez egy általános kifejezés a folyékony tüzelőanyagok szénből történő előállítására szolgáló eljárások családjára. A speciális cseppfolyósítási technológiák általában két kategóriába sorolhatók: közvetlen széncseppfolyósítási (DCL) és közvetett széncseppfolyósítási (ICL) eljárások. A közvetett cseppfolyósítási eljárások jellemzően a szén elgázosítását jelentik szén-monoxid és hidrogén keverékévé ( szintézisgáz ), majd a Fischer-Tropsch eljárást alkalmazzák.szintézisgáz keverékének folyékony szénhidrogénekké történő átalakítására. Ezzel szemben a közvetlen cseppfolyósítási eljárások a szenet közvetlenül folyadékká alakítják, közbenső elgázosítási lépés nélkül, szerves szerkezetének oldószerek vagy katalizátorok segítségével, magas nyomáson és hőmérsékleten történő lebontásával. Mivel a folyékony szénhidrogének általában nagyobb hidrogén/szén mólarányt mutatnak, mint a szén, az ICL és DCL technológiákban hidrogénezési vagy széneltávolítási eljárásokat kell alkalmazni. A XXI. század elején. A szénfeldolgozás következő főbb folyamatai ismertek folyékony termékek végső előállításával: elgázosítás , majd szintetikus tüzelőanyagok előállítása szintetikus gázon , hidrogénezés , pirolízis stb . " Termikus oldás ". A legtöbb szilárd fosszilis tüzelőanyag optimális oldódási hőmérséklete 380-450 °C, nyomás 2-15 MPa, folyamat időtartama 20-60 perc. A szén fajtájától és a cseppfolyósítási eljárástól függően 75-85%-os folyékony termék hozam érhető el.

Az előrejelzések szerint 2030-ra a cseppfolyósított szén részaránya az üzemanyag-források teljes szerkezetében eléri a 20%-ot.

Történelmi háttér

A szén cseppfolyósítását eredetileg a 20. század elején fejlesztették ki. A leghíresebb CTL ( Coal to Liquid ) eljárás a Fischer-Tropsch (FT) szintézis, amelyet Franz Fischer és Hans Tropsch , a Kaiser Wilhelm Institute feltalálóiról neveztek el az 1920-as években. Az FT szintézise az indirekt szén cseppfolyósítási (ICL) technológia alapja. Friedrich Bergius , szintén német kémikus, 1913-ban találta fel a közvetlen széncseppfolyósítást (DCL) a barnaszén szintetikus olajmá történő átalakításának módszereként ( Bergius-eljárás ).

A szén cseppfolyósítása a második világháború alatt a német ipar szerves részévé vált. A szén cseppfolyósítása fontos része volt Adolf Hitler 1936-os négyéves tervének. Az 1930-as évek közepén olyan cégek, mint az I.G. A Farben és a Rourchemy megkezdte a szénből nyert szintetikus üzemanyagok kereskedelmi gyártását. Ez tizenkét hidrogénezést alkalmazó DCL-üzem és Fischer-Tropsch szintézissel kilenc ICL-üzem megépítéséhez vezetett a második világháború végére . Összességében a CTL biztosította Németország repülőgép-üzemanyagának 92%-át és az olajkészletek több mint 50%-át az 1940-es években. A DCL és az ICL üzemek hatékonyan kiegészítették egymást, nem pedig versengtek. Ennek az az oka, hogy a szénhidrogénezéssel kiváló minőségű benzint állítanak elő a repülések és hajtóművek számára, míg az FT szintézis főként kiváló minőségű dízel üzemanyagot, kenőolajat és viaszokat , valamint kisebb mennyiségű gyenge minőségű motorbenzint állít elő. A DCL-üzemek is fejlettebbek voltak, mivel a lignit  – az egyetlen elérhető szén Németország számos részén – jobban működött a hidrogénezésben, mint az FT-szintézisben. A háború után Németország kénytelen volt felhagyni a szintetikus üzemanyagok gyártásával, mivel ezt az 1945-ös potsdami konferencia betiltotta .

A Dél-afrikai Unió az 1950-es években kifejlesztette saját CTL technológiáját. A South African Coal, Oil and Gas Corporation ( Sasol ) 1950-ben alakult annak az iparosítási folyamatnak a részeként, amelyet a dél-afrikai kormány szükségesnek tartott a folyamatos gazdasági fejlődéshez és autonómiához. Dél-Afrikának azonban nem volt hazai olajtartaléka, és ez nagyon kiszolgáltatottá tette az országot a kívülről érkező ellátási zavarokkal szemben. A Sasol sikeres módja volt annak, hogy megvédje az országot a külföldi olajtól való növekvő függőségétől. Fő terméke éveken át a szintetikus üzemanyag volt, a vállalkozás az apartheid éveiben jelentős állami védelmet élvezett az ország energiabiztonságához való hozzájárulásáért. Bár az olaj szénből történő kitermelése általában sokkal drágább volt, mint a természetes olajból, a lehető legnagyobb függetlenség elérésének politikai és gazdasági jelentősége ezen a területen elegendő volt az esetleges kifogások leküzdéséhez. A korai, külföldi vagy hazai magántőke bevonására tett kísérletek sikertelenek voltak, csak állami támogatással kezdődhetett meg a szén cseppfolyósítása. A CTL továbbra is létfontosságú szerepet játszott Dél-Afrika nemzetgazdaságában, a hazai üzemanyag-kereslet mintegy 30%-át fedezve. Az 1990-es évek demokratizálódása arra késztette a Sasol-t, hogy olyan termékeket keressen, amelyek versenyképesebbé válhatnak a globális piacon, és az új évezred óta a Sasol elsősorban petrolkémiai üzletágára, valamint a földgáz kőolajmá ( GTL ) való átalakítására összpontosít. és felhasználja tapasztalatait a Fischer-Tropsch szintézisben.

A CTL technológia a második világháború óta folyamatosan fejlődik. A technológiai fejlődés számos olyan rendszer létrehozásához vezetett, amelyek képesek a szénfajták széles skálájának kezelésére. Mindazonáltal csak néhány vállalkozás történt folyékony tüzelőanyagok szénből történő előállítására, amelyek többsége az ICL technológián alapul. A legsikeresebb a dél-afrikai Sasol cég. A 2000-es évek elején a CTL is megújult érdeklődést váltott ki, mint az olajfüggőség csökkentésének lehetséges lehetősége, mivel az emelkedő olajárak és az olajcsúcs miatti aggodalmak arra kényszerítették a tervezőket, hogy újragondolják a meglévő folyékony üzemanyag-ellátási láncokat.

A feldolgozás hagyományos módjai

• Szén → szintézisgáz → szénhidrogének előállítása Fischer-Tropsch módszerrel .
• Szén → szintézisgáz → metanol előállítása Fischer-Tropsch módszerrel → üzemanyagok előállítása mobil eljárással (metanol → DME → alkénekké bomlik → polimerizálódik és ciklizálódik alkánokká , cikloalkánokká és aromás vegyületekké [1] ).
• szén destruktív hidrogénezése ( Bergius-eljárás ).

Egy ígéretes feldolgozási módszerről is van információ:

• Átalakulások éterek keverékében [2] .

Hidrogénezés (hidrogénezés)

Számos katalitikus reakció kapcsolódik egy hidrogénatom és néhány más molekula aktiválásához, ami kémiai kölcsönhatáshoz vezet. Ezt a folyamatot hidrogénezésnek nevezik, és az olajfinomítás és a folyékony tüzelőanyagok szénből történő előállítása ( Bergius-eljárás ) számos lépésének hátterében áll. A repülőgépbenzin és a motorüzemanyag szénből történő előállítását a második világháború idején Németországban fejlesztették ki, mivel ebben az országban nincsenek olajmezők. Az első kereskedelmi hidrokrakkolási eljárást az IG Farben Industrie hajtotta végre 1927-ben lignitbenzin előállítására . A Bergius-eljárás a hidrogén közvetlen hozzáadása a szénhez. A szenet nyomás alatt, hidrogén jelenlétében hevítik, és folyékony terméket kapnak, amelyet azután repülőgépbenzinlé és motorüzemanyaggá dolgoznak fel. Katalizátorként vas-oxidot, valamint ón- és molibdénalapú katalizátorokat használnak. A háború alatt naponta körülbelül 1400 tonna folyékony üzemanyagot nyertek 12 német gyárban a Bergius-eljárással. Egy másik folyamat, a Fischer-Tropsch, két szakaszból áll. Először a szenet elgázosítják, azaz vízgőzzel és oxigénnel reagáltatják, és hidrogén és szén-oxid keveréket kapnak. Ezt a keveréket vasat vagy kobaltot tartalmazó katalizátorok segítségével folyékony tüzelőanyaggá alakítják. A háború végével Németországban leállították a szintetikus üzemanyag szénből történő előállítását. Az 1973-1974-es olajembargót követő olajár-emelkedés eredményeként erőteljes erőfeszítések történtek egy gazdaságilag életképes módszer kidolgozására a szénből történő benzin előállítására. Így a szén közvetlen cseppfolyósítása hatékonyabban hajtható végre egy kétlépcsős eljárással, amelyben a szenet először egy alumínium-oxid-kobalt-molibdén katalizátorral érintkeztetjük viszonylag alacsony, majd magasabb hőmérsékleten.

Metanolból benzin

A metanolból benzinbe vagy a metanolból benzinbe röviden MTG egy kémiai eljárás, amellyel metanolból állítanak elő benzint.

Az eljárás akkor hasznos, ha olaj helyett földgázból vagy szénből állítanak elő benzint. Az eljárást a 70-es években fejlesztette ki a Mobil (ma ExxonMobil ). A szenet vagy földgázt először szintézisgázzá , majd metanollá alakítják. A metanolt ezután dimetil-éterré (DME) dehidratáljuk. A dimetil-étert ezután egy katalizátoron tovább dehidratáljuk. A kémiai reakció a következőképpen megy végbe:

: A metanol öt vagy több szénatomos szénhidrogénné való átalakulásának mértéke 80%. A katalizátor általában egy zeolit , például ZSM-5 . A ZSM-5 a szén felhalmozódása miatt veszít aktivitásából. A katalizátort ezután regenerálni kell a szén levegőben történő elégetésével 500 °C-on A lehetséges regenerálások száma korlátozott, és végül a katalizátort ki kell cserélni.

Közgazdaságtan

2006. augusztus 17-én a Wall Street Journal rámutatott, hogy az olaj hordónkénti árának 30-35 dollár felett kell maradnia ahhoz, hogy nyereséges legyen. A dél-afrikai Sasol a világ legnagyobb cseppfolyósított széntermelője. Dél-Afrikában nincs olaj, de a szén bőven van. Az 1950-es évektől a Sasol szén cseppfolyósító üzemet kezdett üzemeltetni, napi 150 000 hordó cseppfolyósított szenet termelve, ami Dél-Afrika olajszükségletének egyharmadát pótolja. (Tekintettel arra, hogy Oroszország napi 10,3 millió hordó, Szaúd-Arábia pedig 99,5 millió hordó kőolajat termel 2017 májusában, ez nagyon alacsony.) A Sasol Limited jelenleg a dél-afrikai gépjármű-üzemanyag-piac 20%-át képviseli. "Széncseppfolyósító üzemünk gazdaságilag életképes, ha a nyersolaj hordónkénti ára 16-17 dollár felett van" - mondta John Bocca, a Sasol műszaki igazgatója. 2017 áprilisában Dubai átlagos olajára a Közel-Keleten 52,3 dollár volt hordónként.

A Sasol jelenleg 27 szén cseppfolyósító üzemet épít a kínai Ningbóban. Hatmilliárd dollárra van szükség egy napi 80 000 hordó (évente kb. 4 millió tonna) olaj előállítására képes üzem felépítéséhez.

Szintetikus benzin a második világháború alatt

A szén cseppfolyósításával kapcsolatos kutatásokat az 1920-as években végezték Németországban, főként azért, mert az országot az első világháború után elzárták az olajforrásoktól. Az első cseppfolyósítási eljárást Franz Fischer és Hans Tropsch, a Wilhelm Császár Intézet munkatársai találták ki. A második világháború alatt Németország és Japán fegyverzetének benzin előállítására használták. Németország csúcspontján napi 124 000 hordó benzint termelt, 1944-ben összesen 6,5 millió tonnát.

Folyékony tüzelőanyagok kinyerése szénből desztillációval

Rohamosan terjed a folyékony szénhidrogén tüzelőanyagok barnaszénből történő előállítása száraz desztillációval [3] [4] . A desztilláció után a maradék alkalmas korom előállítására . Éghető gázt vonnak ki belőle , szén- lúgos reagenseket és montánviaszt (hegyi viaszt) nyernek .

A liptobiolitokat az illékony anyagok megnövekedett hozama (45-57%), a száraz desztilláció során előforduló primer gyanta , a magas hidrogéntartalom, a magas fűtőérték (34,3-36,4 MJ / kg) és az alacsony hamutartalom (8-9%) jellemzi.

A szapropelitek barna, barnásszürke és fekete színű  masszív viszkózus kőzetek, összetételükben 55-70% illékony anyagokat (60-90% [5] ) tartalmaznak.

• Táblázat – Félkokszos termékek hozama (százalékos szárazanyag)

• éghető tömeghez

Lásd még

• Kőszénkátrány
• Gázból folyadékba
• gázgenerátor
• szintetikus üzemanyag
• szintézis gáz

Jegyzetek

1. ↑ Mobil folyamat (elérhetetlen link) . Letöltve: 2019. május 25. Az eredetiből archiválva : 2014. november 1.. (határozatlan) 
2. ↑ Új széncseppfolyósítási technológia kereskedelmi értékelése (hozzáférhetetlen kapcsolat) . Letöltve: 2022. február 21. Az eredetiből archiválva : 2019. május 25. (határozatlan) 
3. ↑ Energiabefektetési társaság  (elérhetetlen link)
4. ↑ Alternatív perspektívák: CWF (széntüzelésű üzemanyag), CCGT és szintetikus üzemanyagok . Letöltve: 2019. május 31. Az eredetiből archiválva : 2014. július 31. (határozatlan)
5. ↑ Szapropeliták - cikk a Great Soviet Encyclopedia- ból . V. Uszpenszkij, O. Radcsenko. 

Irodalom

• Kuznetsov B. N., Shendrik T. G. , Shchipko M. L., Chesnokov N. V., Sharypov V. I., Osipov A. M. Barnaszenek mélyfeldolgozása folyékony üzemanyagok és szénanyagok előállításával / Szerk. szerk. GI Gritsko / Kémiai és Kémiai Technológiai Intézet SB RAS, Fizikai Szerves Kémiai és Szénkémiai Intézet. L. M. Litvinenko NASU // Novoszibirszk: SO RAN , 2012. - 212 p. ISBN 978-5-7692-1258-1 .
• Coal – To – Liquids (CTL) és Fischer – Tropsch Processing (FT) // Indiana Center for Coal Technology Research, Purdue, 2007
• Liquid Fuels from US Coal // National Mining Association, USA
• Miért nem életképes megoldás a folyékony szén arra, hogy Amerika túllépjen az olajon // Natural Resources Defense Council , 2011.  december
• A SZÉN VILÁG ÁTTEKINTÉSE FOLYADÉKOKRA. KUTATÁSI, F+F TEVÉKENYSÉGEK ÉS TOVÁBBI KEZDEMÉNYEZÉSEK IGÉNYE EURÓPÁBAN // IEA Clean Coal Centre, 2009. június