Kolvätskebildning

Coal liquefaction, CTL ( English  Coal to Liquids ), kondensering av kol (coals) är en teknik för att producera flytande bränsle från råkol . Tillåter användning av traditionella bensinkonsumenter (till exempel motorfordon) under förhållanden med oljebrist. Detta är en allmän term för en familj av processer för framställning av flytande bränslen från kol. Specifika vätskebildningstekniker delas i allmänhet in i två kategorier: processer för direkt vätskebildning av kol (DCL) och indirekta vätskebildningsprocesser (ICL). Indirekta kondenseringsprocesser involverar vanligtvis förgasning av kol till en blandning av kolmonoxid och väte ( syntesgas ) och sedan användning av Fischer-Tropsch-processen för att omvandla blandningen av syntesgas till flytande kolväten. Däremot omvandlar direkt flytande processer kol direkt till vätskor, utan ett mellanliggande förgasningssteg, genom att bryta ner dess organiska struktur med hjälp av lösningsmedel eller katalysatorer under högt tryck och temperatur. Eftersom flytande kolväten vanligtvis har ett högre molförhållande mellan väte och kol än kol, måste antingen hydrerings- eller kolavlägsnandeprocesser användas i ICL- och DCL-tekniker. I början av XXI-talet. Följande huvudprocesser för kolbearbetning med slutproduktion av flytande produkter är kända: förgasning med efterföljande produktion av syntetiska bränslen baserade på syntesgas , hydrering , pyrolys , etc. " Termisk upplösning ". Den optimala upplösningstemperaturen för de flesta fasta fossila bränslen ligger i intervallet 380–450 °C, tryck 2–15 MPa, processlängd 20–60 min. Beroende på typen av kol och kondenseringsprocessen uppnås ett flytande produktutbyte på 75-85 %.

Det förutspås att 2030 kommer andelen flytande kol i den totala strukturen av bränsleresurser att nå 20%.

Historisk bakgrund

Kolvätskning utvecklades ursprungligen i början av 1900-talet. Den mest kända CTL-processen ( Coal to Liquid ) är Fischer-Tropsch- syntesen (FT), uppkallad efter uppfinnarna Franz Fischer och Hans Tropsch från Kaiser Wilhelm-institutet på 1920-talet. Syntes av FT är grunden för tekniken för indirekt kolvätskebildning (ICL). Friedrich Bergius , också en tysk kemist, uppfann direkt kolvätskning (DCL) som ett sätt att omvandla brunkol till syntetisk olja ( Bergiusprocessen ) 1913.

Kolvätskning blev en integrerad del av tysk industri under andra världskriget. Förvandlingen av kol var en viktig del av Adolf Hitlers fyraårsplan för 1936. I mitten av 1930-talet började företag som I.G. Farben och Rourchemy började kommersiell produktion av syntetiska bränslen som härrör från kol. Detta ledde till konstruktionen av tolv DCL-anläggningar med användning av hydrering och nio ICL-anläggningar med användning av Fischer-Tropsch-syntes i slutet av andra världskriget . Totalt stod CTL för 92 % av Tysklands flygbränsle och över 50 % av oljeförsörjningen på 1940-talet. DCL- och ICL-fabrikerna kompletterade varandra effektivt snarare än konkurrerade. Anledningen till detta är att kolhydrering ger högkvalitativ bensin för flyg och motorer, medan FT-syntes främst producerar högkvalitativt dieselbränsle, smörjolja och vaxer tillsammans med några mindre mängder lågkvalitativ motorbensin. DCL-anläggningar var också mer avancerade, eftersom brunkol  — det enda kol som finns tillgängligt i många delar av Tyskland — fungerade bättre vid hydrogenering än vid FT-syntes. Efter kriget tvingades Tyskland överge produktionen av syntetiska bränslen, eftersom detta förbjöds av Potsdamkonferensen 1945.

Sydafrikas unionen utvecklade sin egen CTL-teknik på 1950-talet. South African Coal, Oil and Gas Corporation ( Sasol ) grundades 1950 som en del av en industrialiseringsprocess som den sydafrikanska regeringen ansåg nödvändig för fortsatt ekonomisk utveckling och autonomi. Sydafrika hade dock inga inhemska oljereserver, och detta gjorde landet mycket sårbart för försörjningsstörningar utifrån. Sasol var ett framgångsrikt sätt att skydda landet från dess växande beroende av utländsk olja. I åratal var dess huvudprodukt syntetiskt bränsle, och verksamheten åtnjöt betydande statligt skydd under apartheidåren för sitt bidrag till landets energisäkerhet. Även om utvinning av olja från kol i allmänhet var mycket dyrare än från naturlig olja, var den politiska och ekonomiska betydelsen av att uppnå så mycket självständighet som möjligt på detta område tillräcklig för att övervinna eventuella invändningar. Tidiga försök att locka till sig privat kapital, utländskt eller inhemskt, var misslyckade, och endast med statligt stöd kunde flytande av kol börja. CTL fortsatte att spela en viktig roll i Sydafrikas nationella ekonomi och försörjde cirka 30 % av den inhemska efterfrågan på bränsle. Demokratiseringen på 1990-talet ledde till att Sasol letade efter produkter som kunde bli mer konkurrenskraftiga på den globala marknaden, och sedan det nya millenniet har Sasol fokuserat främst på sin petrokemiska verksamhet, samt ansträngningar att omvandla naturgas till råolja ( GTL ) och använda hans erfarenhet i Fischer-Tropsch-syntesen.

CTL-tekniken har ständigt förbättrats sedan andra världskriget. Den tekniska utvecklingen har lett till skapandet av många system som kan hantera ett brett utbud av koltyper. Endast ett fåtal satsningar har dock gjorts för att producera flytande bränslen från kol, varav de flesta är baserade på ICL-teknik. Mest framgångsrikt är det sydafrikanska företaget Sasol. CTL fick också förnyat intresse i början av 2000-talet som ett möjligt alternativ för att minska beroendet av olja, eftersom stigande oljepriser och oro över oljetopparna tvingade planerare att ompröva befintliga leveranskedjor för flytande bränsle.

Traditionella sätt att bearbeta

Det finns också information om en lovande bearbetningsmetod:

Hydrogenering (hydrering)

Ett stort antal katalytiska reaktioner är förknippade med aktiveringen av en väteatom och någon annan molekyl, vilket leder till deras kemiska interaktion. Denna process kallas hydrogenering och ligger till grund för många steg i oljeraffinering och produktion av flytande bränslen från kol ( Bergiusprocessen ). Produktionen av flygbensin och motorbränsle från kol utvecklades i Tyskland under andra världskriget, eftersom det inte finns några oljefält i detta land. Den första kommersiella hydrokrackningsprocessen implementerades av IG Farben Industrie 1927 för att producera brunkolsbensin . Bergius-processen är den direkta tillsatsen av väte till kol. Kol värms upp under tryck i närvaro av väte och en flytande produkt erhålls, som sedan bearbetas till flygbensin och motorbränsle. Järnoxid används som katalysator, liksom katalysatorer baserade på tenn och molybden. Under kriget erhölls cirka 1 400 ton flytande bränsle per dag vid 12 tyska fabriker med Bergiusprocessen. En annan process, Fischer-Tropsch, består av två steg. Först förgasas kol, det vill säga det reagerar med vattenånga och syre och en blandning av väte och koloxider erhålls. Denna blandning omvandlas till flytande bränsle med hjälp av katalysatorer som innehåller järn eller kobolt. I och med krigets slut avbröts produktionen av syntetiskt bränsle från kol i Tyskland. Som ett resultat av de stigande oljepriserna som följde på oljeembargot 1973-1974 gjordes kraftfulla ansträngningar för att utveckla en ekonomiskt gångbar metod för att framställa bensin från kol. Sålunda kan direkt kondensering av kol utföras mer effektivt med användning av en tvåstegsprocess i vilken kolet först bringas i kontakt med en aluminiumoxid-kobolt-molybdenkatalysator vid en relativt låg temperatur och sedan vid en högre temperatur.

Metanol till bensin

Metanol-till-bensin, eller Metanol-till-bensin för kort MTG, är en kemisk process för att framställa bensin från metanol.

Processen är användbar för att producera bensin från naturgas eller kol istället för olja. Processen utvecklades på 70-talet av Mobil (numera ExxonMobil ). Kol eller naturgas omvandlas först till syngas och sedan till metanol. Metanolen dehydratiseras sedan till dimetyleter (DME). Dimetyletern dehydratiseras sedan ytterligare på en katalysator. Den kemiska reaktionen går till enligt följande:

: Graden av omvandling av metanol till kolväten med fem eller fler kolatomer 80 %. Katalysatorn är vanligtvis en zeolit , såsom ZSM-5 . ZSM-5 förlorar sin aktivitet på grund av kolansamling. Katalysatorn behöver sedan regenereras genom att förbränna kolet i luften vid 500 ° C. Antalet möjliga regenerationer är begränsat och så småningom måste katalysatorn bytas ut.

Ekonomi

Den 17 augusti 2006 påpekade Wall Street Journal att oljan måste hålla sig över 30-35 dollar per fat för att vara lönsam. Sasol i Sydafrika är världens största producent av flytande kol. Det finns ingen olja i Sydafrika, men kol finns det gott om. Från 1950-talet började Sasol driva en anläggning för kondensering av kol, som producerade 150 000 fat flytande kol per dag, vilket ersatte en tredjedel av Sydafrikas oljebehov. (Med tanke på att Ryssland producerar 10,3 miljoner fat per dag och Saudiarabien producerar 99,5 miljoner fat råolja i maj 2017, är detta mycket lågt) Sasol Limited står för närvarande för 20% av den sydafrikanska fordonsbränslemarknaden. "Vår anläggning för kondensering av kol är ekonomiskt lönsam om de globala råoljepriserna är över 16-17 dollar per fat", säger Sasol CTO John Bocca. I april 2017 är Dubais genomsnittliga oljepris i Mellanöstern 52,3 dollar per fat.

Sasol bygger för närvarande 27 kolvätskeanläggningar i Ningbo, Kina. För att bygga en anläggning som kan producera 80 000 fat olja per dag (cirka 4 miljoner ton per år) behövs sex miljarder dollar.

Syntetisk bensin under andra världskriget

Forskning om kolvätskebildning utfördes på 1920-talet i Tyskland, främst för att landet var avskuret från oljekällor efter första världskriget. Den första vätskeprocessen uppfanns av Franz Fischer och Hans Tropsch från kejsar Wilhelm-institutet. Under andra världskriget användes den för att tillverka bensin för Tysklands och Japans vapen. På sin topp producerade Tyskland 124 000 fat bensin per dag, totalt 6,5 miljoner ton 1944.

Erhålla flytande bränslen från kol genom destillation

Produktionen av flytande kolvätebränslen från brunkol genom torrdestillation sprider sig snabbt [3] [4] . Efter destillering är återstoden lämplig för att erhålla sot . Brännbar gas extraheras från den , kol- alkali-reagens och montanvax (bergvax) erhålls .

Liptobioliter kännetecknas av ett ökat utbyte av flyktiga ämnen (45-57%), primärharts under torrdestillation, hög vätehalt, högt värmevärde (34,3-36,4 MJ / kg) och låg askhalt (8-9%).

Sapropeliter  är massiva trögflytande stenar av brun, brun-grå och svart färg , innehåller i sin sammansättning 55-70% av flyktiga ämnen (60-90% [5] ).

Typ av TGK röding primärt harts Pyrogeniskt vatten primär gas
Torv 33,6-50,9 7.7-23.1 14,2-26,8 15.9-31.8
Podmoskovny brunkol 71,0-76,0 5,5-14,3 2,5-12,6 5,8-21,0
Alexandriska brunkol 55,4-61,8 10.6-15.8 7,4-9,2 18.3-21.1
Kizelovsky
kol 		73,0 16.7 2.5 7.8
Donetsk kol :        
märke D 70,1-74,3 10.3-18.1 3,1-8,7 10.7-16.5
märke G 75,8 10.3 3.6 10.3
märke K 84,8 5.8 1.7 7.7
PS betyg 91,1 2.4 0,5 6,0
Sapropelit
( balkhashite ) 		10.3 65,9 8.4 15.4
Liptobiolit
( pyropisite ) 		13.2 68,3 3.8 14.7
Baltisk oljeskiffer 52,6-86,4 8,2-34,1 1,8-9,9 2,7-6,1
Volga oljeskiffer 75,6-79,1 9,6-11,6 6,4-7,2 4,9-5,7
Baltisk oljeskiffer 14,2* 59,0* 8,1* 18,7*

Se även

Anteckningar

  1. ↑ Mobil process (otillgänglig länk) . Hämtad 25 maj 2019. Arkiverad från originalet 1 november 2014. 
  2. ↑ Kommersiell utvärdering av ny teknik för flytande av kol (otillgänglig länk) . Hämtad 21 februari 2022. Arkiverad från originalet 25 maj 2019. 
  3. ↑ Energiinvesteringsbolag  (otillgänglig länk)
  4. ↑ Alternativa perspektiv: CWF (koleldat bränsle), CCGT och syntetiska bränslen . Hämtad 31 maj 2019. Arkiverad från originalet 31 juli 2014.
  5. ↑ Sapropelites - artikel från Great Soviet Encyclopedia . V. Uspensky, O. Radchenko. 

Litteratur