Прямое сжижение угля
Прямое сжижение угля — технология получения жидкого синтетического топлива из угольного (другого углеродного твердого) сырья. Процесс прямого сжижения (ожижения) угля (ПСУ), не включает газификацию. Это является фундаментальным отличием процесса от процесса Фишера-Тропша.[1]
ПСУ часто сравнивают и противопоставляют косвенному сжижению угля (КСУ), которое включает газификацию сырья как неотъемлемую стадию. Технологические циклы ПСУ часто включают газификацию[уточнить] твёрдых остатков или дополнительного углеродсодержащего сырья для производства водорода, необходимого для прямых реакций сжижения. Были предложены[где?] гибридные технологические подходы, включающие комбинацию прямого сжижения угля и непрямого сжижения угля (в котором газификация является неотъемлемой стадией), и они могут иметь все большее значение в новых исследованиях и разработках в области технологий переработки угля/биомассы в жидкости.
Описание править
Прямое сжижение угля включает непосредственное контактирование угля с катализатором при повышенных температурах и давлениях с добавлением водорода (H2) в присутствии растворителя с образованием сырого жидкого продукта, который далее перерабатывается в жидкое топливо. ПСУ называется прямым, потому что уголь превращается в жидкость без предварительной газификации с образованием синтез-газа (который затем, в свою очередь, может быть преобразован в жидкие продукты). Последний двухэтапный подход, то есть путь от угля до синтез-газа и до жидкостей, называется непрямым сжижением угля. Таким образом, процесс ПСУ, в принципе, является более простым и эффективным из двух процессов. Однако для этого требуется внешний источник H2, который может производиться путём газификации дополнительного угольного сырья, биомассы и/или тяжёлого остатка процесса, полученного в реакторе ПСУ. Процесс ПСУ приводит к относительно широкому диапазону углеводородных продуктов, состоящих из различных молекулярных масс и форм, с преобладанием ароматических соединений. Соответственно, продукт требует существенной дополнительной переработки для получения приемлемого транспортного топлива.
Технология была продемонстрирована в Германии во время Второй мировой войны, но по высокой цене, что привело к остановке заводов после войны, когда был возобновлён импорт недорогой нефти. С тех пор продолжающееся развитие этой технологии в Соединённых Штатах и других странах было сосредоточено на снижении затрат за счёт удешевления катализаторов, конструкции реактора и повышения эффективности процесса. Министерство энергетики США имело очень активную исследовательскую программу по сжижению угля с 1970 по 1980-е годы в ответ на нефтяное эмбарго Организации стран-экспортеров нефти (ОПЕК) 1973 года, но финансирование значительно сократилось с 1990-м годам, когда программа разработок Министерства энергетики по прямому сжижению угля завершена. Технология ПСУ, разработанная Министерством энергетики совместно с компанией Hydrocarbon Technologies, Inc., HTI (теперь часть Headwater, Inc.), была лицензирована китайской корпорацией Shenhua в 2002 г., которая построила завод по технологии ПСУ в Ордосе, Внутренняя Монголия.
Для ПСУ было разработано множество различных процессов, но большинство из них сходны в отношении химии реакций и концепции процесса. Общими чертами являются растворение угля в растворителе с последующим гидрированием угля H2 в присутствии катализатора. Процесс может быть очень эффективным с общим тепловым КПД в диапазоне ок. 65 %.
Типичные конфигурации процесса править
ПСУ включает добавление водорода (гидрирование) к углю, расщепление его органической структуры на растворимые продукты. Реакцию проводят при повышенной температуре и давлении (например, от 400 до 450 °C и от 70 до 170 бар) в присутствии растворителя. Растворитель используется для облегчения извлечения угля и добавления водорода. Солюбилизированные[уточнить] продукты, состоящие в основном из ароматических соединений, затем могут быть улучшены с помощью обычных методов очистки нефти, таких как гидроочистка, для соответствия спецификациям конечного жидкого продукта.
Одностадийные процессы править
Одностадийные процессы были технологией ПСУ первого поколения, разработанной в 1960-х годах, и с тех пор большинство таких программ и технология были заменены или заброшены. Одностадийный процесс пытается преобразовать уголь в жидкости за одну стадию реакции. Такой процесс может включать интегрированный онлайн-реактор гидроочистки для повышения качества дистиллятов.
Примером является Процесс Бергиуса. Процесс прямой гидрогенизации угля служил для получения газов, карбюраторного и дизельного топлива . Необходимый для этого водород получали путём газификации угля. В процессе Бергиуса углеродная структура расщепляется на более простые молекулы путём гидрирования водородом. Продукты процесса Бергиуса имеют более высокое содержание ароматических соединений и более высокое октановое число получаемого бензина чем также используемый в германии процесса Фишера-Тропша. Продукты процесса Фишера-Тропша более парафиновые, а фракции с более высокой молекулярной массой подходят в качестве основного продукта для химической промышленности.
Жидкие углеводородные продукты получали также экстракцией угля растворителями -переносчиками водорода под давлением, как в процессе Потта-Броше («Pott-Broche-Verfahren»). В процессе Потта-Броша процесс шёл с использованием тетралина и декалина в качестве растворителя, выделяющего водород. Тетралин и декалин окисляются до нафталина, который отделяется перегонкой и может быть повторно использован после гидрогенизации. Крезол или фенол используются в качестве дополнительного растворителя.[2] Гидрирование проводят при температуре от 415 до 435°С и давлении около 100 бар. Завод в Руреле произвёл 30 000 тонн каменноугольного топлива в период с 1938 по 1944 год, которое использовалось в качестве заменителя мазута на электростанциях.
Двухстадийные процессы править
Был предложен ряд конфигураций процесса, наиболее распространенная версия включает по крайней мере два реактора высокого давления в серии с использованием диспергированного катализатора на основе железа и водорода, подаваемого из параллельной системы газификации. Обычно реакторы работают при температуре до 450 °C и давлении до 200 бар с трёхкомпонентной суспензией угля, рециркулируемого масла и водорода. Основная цель исследований состоит в том, чтобы добиться значительной экономии средств за счет снижения интенсивности этих условий, чтобы снизить капитальные затраты. Большинство двухстадийных процессов ПСУ были разработаны в ответ на нефтяное эмбарго в начале 1970-х годов. Двухстадийный процесс ПСУ протекает в два этапа: во-первых, растворение угля, при котором уголь превращается в растворимую форму с высокой молекулярной массой, но с небольшим изменением среднего состава по сравнению с исходным углем. ; и вторая стадия, на которой растворённые продукты улучшают до более низкокипящих жидкостей с пониженным содержанием гетероатомов.
Процесс прямого сжижения угля китайской компании Shenhua гидратирует бурый уголь с высоким содержанием инертных веществ. Завод, построенный во Внутренней Монголии, является единственным в мире заводом по гидрогенизации угля, работающим на коммерческой основе со времён Второй мировой войны. Процесс по существу состоит из двух стадий в реакторах обратного смешения и установки гидроочистки с неподвижным слоем. В качестве катализатора используется тонкоизмельчённый железный катализатор. Процесс работает при давлении 170 бар и температуре около 450 ° C, при этом достигается конверсия в используемый уголь более 90 %. Полученные продукты, такие как нафта, дизельное топливо и сжиженный нефтяной газ, практически не содержат серы и азота. [3]
См. также править
Литература править
- Кузнецов Б. Н., Шендрик Т. Г., Щипко М. Л., Чесноков Н. В., Шарыпов В. И., Осипов А. М. Глубокая переработка бурых углей с получением жидких топлив и углеродных материалов / Отв. ред. Г. И. Грицко / Институт химии и химической технологии СО РАН, Институт физикоорганической химии и углехимии им. Л. М. Литвиненко НАНУ // Новосибирск: СО РАН, 2012. — 212 с. ISBN 978-5-7692-1258-1.
- Coal — To — Liquids (CTL) & Fischer — Tropsch Processing (FT) // Indiana Center for Coal Technology Research, Purdue, 2007
- Liquid Fuels from U.S. Coal // National mining association, USA
- Why Liquid Coal Is Not a Viable Option to Move America Beyond Oil // Natural Resources Defense Council, December 2011 (англ.)
- REVIEW OF WORLDWIDE COAL TO LIQUIDS. R, D&D ACTIVITIES AND THE NEED FOR FURTHER INITIATIVES WITHIN EUROPE // IEA Clean Coal Centre, June 2009
Примечания править
- ↑ 10.6. Direct Liquefaction Processes | netl.doe.gov. Дата обращения: 8 июня 2022. Архивировано 8 июня 2022 года.
- ↑ Патент US2123380 ([1] Архивная копия от 8 июня 2022 на Wayback Machine): Способ получения экстрактов из твёрдых углеродистых материалов. Опубликовано 12 июля 1938 года, изобретатели: Альфред Потт, Ханс Броше.
- ↑ Лонг Сюй, Минчен Тан, Линь Дуань, Баолинь Лю, Сяоксун Ма, Юлонг Чжан, Моррис Д. Аргайл, Маохонг Фан: Характеристики пиролиза и кинетика остатка промышленного предприятия прямого сжижения в Шамого сжижения в Шамого B: Thermochimica Acta. 589, 2014, ул. 1-10, doi:10.1016/j.tca.2014.05.005 . [2] Архивная копия от 8 июня 2022 на Wayback Machine