Кіріспе
Көмірді сұйық көмірсутектерге айналдырудың химиялық процесі. Көмірді сұйыту – көмірді сұйық отынға және мұнай химия өнімдеріне айналдыру процесі. Бұл процесс көбінесе «Көмірден Х-ке» немесе «Көміртектен Х-ке» деп аталады, мұнда Х – көмірсутектер негізіндегі түрлі өнімдердің бірі болуы мүмкін. Дегенмен, ең көп таралған процестік тізбек – «Көмірден сұйық отынға» (CTL) дейін.
Coal liquefaction is a process of converting coal into liquid hydrocarbons: liquid fuels and petrochemicals. This process is often known as "Coal to X" or "Carbon to X", where X can be many different hydrocarbon based products. However, the most common process chain is "Coal to Liquid Fuels" (CTL).
Тарихи негіздер
Көмір сұйыту әдісі 20 ғасырдың басында дамыды. Ең танымал CTL процесі – Фишер-Тропш синтезі (FT), 1920 жылдары Кайзер Вильгельм институтының өнертапқыштары Франц Фишер мен Ханс Тропштің есімдерімен аталады. FT синтезі көмірді жанама сұйыту технологиясының (ICL) негізі болып табылады. Фридрих Бергиус, сондай-ақ неміс химигі, 1913 жылы көмірді синтетикалық мұнайға айналдыру мақсатымен көмірді тікелей сұйытуды (DCL) ойлап тапты. Көмір сұйыту 1936 жылы Адольф Гитлердің төрт жылдық жоспарының маңызды бөлігі болды және Екінші дүниежүзілік соғыс кезінде неміс өнеркәсібінің ажырамас бөлігіне айналды. 1930 жылдардың ортасында IG Farben және Ruhrchemie сияқты компаниялар көмірден алынған синтетикалық отынның өнеркәсіптік өндірісін бастады. Бұл, Екінші дүниежүзілік соғыс аяқталар кезде гидрогенациялауды пайдалана отырып, он екі DCL зауытының және Фишер-Тропш синтезін пайдалана отырып, тоғыз ICL зауытының салынуына әкелді. 1940 жылдары CTL Германияның әуе отынының 92% және мұнайының 50% астам бөлігін қамтамасыз етті. Оңтүстік Африка сол кезде белгілі бір мұнай қорына ие болмады, бұл елді сырттан келетін жабдықтаудың үзілуіне өте осал етті, себебі себептер әртүрлі болды. Sasol елдің төлем балансын шетелдік мұнайға тәуелділігінің артуынан қорғаудың табысты жолы болды. Көп жылдар бойы оның басты өнімі синтетикалық отын болды және бұл бизнес апартеид жылдарында Оңтүстік Африкадағы ішкі энергия қауіпсіздігіне қосқан үлесі үшін маңызды мемлекеттік қолдауға ие болды. Мұнайды көмірден өндіру табиғи мұнайдан өндіруге қарағанда әлдеқайда қымбат болғанына қарамастан, бұл салада мүмкіндігінше тәуелсіздікке қол жеткізудің саяси және экономикалық маңызы кез келген қарсылықты жеңуге жеткілікті болды. Жеке капиталды, шетелдік немесе отандық, тартуға жасалған алғашқы әрекеттер сәтсіз аяқталды және көмір сұйыту мемлекеттік қолдаумен ғана басталды. CTL Оңтүстік Африканың ұлттық экономикасында маңызды рөл атқара берді, оның ішкі отын сұранысының шамамен 30% қамтамасыз етті. 1990 жылдары Оңтүстік Африканың демократиялануы Sasol компаниясын әлемдік нарықта бәсекеге қабілетті өнімдерді іздеуге итермеледі; жаңа мыңжылдықта компания негізінен мұнай-химия бизнесіне, сондай-ақ табиғи газды шикі мұнайға (GTL) айналдыруға, Фишер-Тропш синтезіндегі тәжірибесін пайдалана отырып, бағытталды. CTL технологиясы Екінші дүниежүзілік соғыстан бері үнемі жақсарып келеді. Техникалық даму нәтижесінде көмірдің әртүрлі түрлерін өңдеуге қабілетті әртүрлі жүйелер құрылды. Дегенмен, көмірден сұйық отын өндіруге негізделген кәсіпорындардың саны аз, олардың көпшілігі ICL технологиясына негізделген; ең табыстысы Оңтүстік Африкадағы Sasol болды. CTL сондай-ақ 2000 жылдардың басында мұнайға тәуелділікті азайтудың мүмкін болатын жолы ретінде қайтадан қызығушылық тудырды, мұнай бағасының өсуі және мұнайдың шегіне қатысты алаңдаушылықтар жоспарлаушыларды сұйық отынның қолданыстағы жеткізу тізбектерін қайта қарастыруға мәжбүр етті.
Әдістер
Сұйытудың арнайы технологиялары негізінен екі топқа бөлінеді: тікелей сұйыту (DCL) және жанама сұйыту (ICL) процестері. Тікелей процестер карбонизация, пиролиз және гидрогенация сияқты тәсілдерге негізделген. Жанама сұйыту процестері көмірді көміртек тотығы мен сутегінің қоспасына газдандыруды қамтиды, бұл көбінесе синтез газы немесе жай ғана сингаз деп аталады. Фишер-Тропш процесінде сингаз сұйық көмірсутектерге айналады. Керісінше, тікелей сұйыту процестері көмірді аралық қадамдарға тәуелділіксіз, тікелей сұйықтықтарға айналдырады, көмірдің органикалық құрылымын сутегін беруші еріткішпен бұзу арқылы, көбінесе жоғары қысым мен температурада. Сұйық көмірсутектердің сутегі-көміртегі молярлық қатынасы көмірге қарағанда жоғары болғандықтан, ICL және DCL технологияларында сутектендіру немесе көміртекті шығару процестерін қолдану қажет. Өнеркәсіптік деңгейде (күніне мыңдаған баррель) көмір сұйыту зауыты әдетте миллиардтаған долларлық капиталдық инвестицияларды талап етеді. Пиролизден алынған көмір шайыры мен майларын мотор отыны ретінде пайдалану үшін одан әрі өңдеу қажет; олар күкірт пен азот қосылыстарын жою үшін гидроөңдеуден өтеді, содан кейін сұйық отынға айналады. Қорытындылай айтқанда, бұл технологияның экономикалық тиімділігі күмәнді.
Гидрогенациялау процестері
Көмірді сутектеу процесі арқылы сұйықтыққа тікелей түрлендірудің негізгі әдістерінің бірі – Бергиус процесі, оны 1913 жылы Фридрих Бергиус әзірледі. Бұл процесте құрғақ көмір процестен алынған ауыр маймен араластырылады. Әдетте, қоспаға катализатор қосылады. Реакция 20 мен 70 МПа арасындағы сутек қысымында жүзеге асырылады. Реакцияны былай қорытындылауға болады: Германияда Ruhrkohle және VEBA компаниялары әзірлеген Kohleoel процесі Германияның Боттроп қаласында салынған, тәулігіне 200 тонна лигнит өндіретін демонстрациялық қондырғыда қолданылды. Бұл қондырғы 1981 жылдан 1987 жылға дейін жұмыс істеді. Бұл процесте көмір қайта өңдеуге жарамды еріткішпен және темір катализаторымен араластырылады. Алдын ала қыздырылып, қысымға түсірілгеннен кейін H2 қосылады. Процесс құбырлық реакторда 300 бар (30 МПа) қысымда және белгілі бір температурада жүзеге асырылады. 1976 жылы Уилберн С. Шрёдер патент алған Nuclear Utility Services Corporation сутектеу процесін әзірледі. Бұл процесске кептірілген, ұнтақталған көмірді шамамен 1 салмақтық % молибден катализаторымен араластыру қажет болды. Басқа бір сатылы сутектеу процестері – Exxon Donor еріткіш процесі, Имхаузен жоғары қысым процесі және Conoco мырыш хлориді процесі. Chevron Corporation Джоэл В. Розенталь ойлап тапқан Chevron Coal Liquefaction Process (CCLP) деп аталатын процесті жасады. Бұл процесс каталитикалық емес еріткіш пен каталитикалық гидроөңдеу бөлімінің тығыз байланысына байланысты ерекше. Өндірілген майдың басқа көмір майларымен салыстырғанда ерекше қасиеттері болды: ол жеңіл және гетероатомдық қоспалары аз болды. Процесс тәулігіне 6 тонна деңгейіне дейін кеңейтілді, бірақ коммерциялық тұрғыдан тиімділігі дәлелденбеді.
The Nuclear Utility Services Corporation developed hydrogenation process which was patented by Wilburn C. Schroeder in 1976. The process involved dried, pulverized coal mixed with roughly 1wt% molybdenum catalysts. Other single stage hydrogenation processes are the Exxon Donor Solvent Process, the Imhausen High pressure Process, and the Conoco Zinc Chloride Process. Chevron Corporation developed a process invented by Joel W. Rosenthal called the Chevron Coal Liquefaction Process (CCLP). It is unique due to the close coupling of the non catalytic dissolver and the catalytic hydroprocessing unit. The oil produced had properties that were unique when compared to other coal oils; it was lighter and had far fewer heteroatom impurities. The process was scaled up to the 6 ton per day level, but not proven commercially.
Тікелей емес түрлендіру процестері
Көмірді жанама сұйыту (ICL) процестері екі кезеңде жүзеге асырылады. Бірінші кезеңде көмір синтездік газға (CO және H2 газдарының тазартылған қоспасы) айналдырылады. Екінші кезеңде синтездік газ үш негізгі процестің бірі арқылы жеңіл көмірсутектерге айналады: Фишер-Тропш синтезі, метанол синтезі, одан кейін бензинге немесе мұнайхимия өнімдеріне айналдыру, және метанизация. Фишер-Тропш – ICL процестерінің ең көнесі. Метанол синтезі процестерінде синтездік газ метанолға айналады, ол кейін зеолит катализаторы арқылы алкандарға полимерлендіріледі. Бұл процесс MTG (MTG – "Метанолдан бензинге") деген атпен 1970 жылдардың басында Mobil компаниясы әзірлеген және Қытайдың Шанси провинциясында Jincheng Anthracite Mining Group (JAMG) компаниясының демонстрациялық зауытында сынақтан өткізілуде. Осы метанол синтезіне негізделген Қытай олефиндер, MEG, DME және ароматтар сияқты өнімдермен күміс көмірден химия өнімдерін өндіретін өнеркәсіпті де дамытты. Метанизация реакциясы синтездік газды табиғи газдың орнына (SNG) айналдырады. Солтүстік Дакота штатының Беула қаласындағы Ұлы жазықтар газдандыру зауыты күніне 160 миллион куб фунт SNG өндіретін көмірден SNG өндіретін кәсіпорын болып табылады және 1984 жылдан бері жұмыс істеп келеді. Қытай, Оңтүстік Корея және Үндістанда бірнеше көмірден SNG зауыттары жұмыс істеп тұр немесе жобалануда. Газдандырудың тағы бір қолданысында синтездік газдан алынған сутек азотпен реакцияға түсіп, аммиакты құрайды. Аммиак көмірқышқыл газымен әрекеттесіп, мочевинаны өндіреді. Жанама көмір сұйыту процестеріне негізделген коммерциялық зауыттардың жоғарыда аталған мысалдары, сондай-ақ жоспарлау және құрылыс кезеңіндегілерді қоса алғанда, көптеген басқа да зауыттар Газдандыру технологиялар кеңесінің Дүниежүзілік газдандыру деректер базасында тізімделген.
Қоршаған ортаны қорғау
Көмірді сұйыту процестері көбінесе газдандыру процесінен, сондай-ақ сұйыту реакторларына қажетті жылу және электр энергиясын өндіруден шығатын CO2 эмиссиясының жоғары деңгейімен байланысты. Алайда, төмен эмиссиялы Көмір-Сұйық Отын (CTL) зауыттарының техникалық тұрғыдан мүмкін болатын конфигурациялары бар. Су газын ауыстыру реакциясында немесе бу метанын реформалауда судың көп мөлшерде қолданылуы да экологиялық зиянды әсер етеді. 2013 жылғы қазан айының соңына дейін 2010 жылдан бері 154 000 тонна CO2 инъекцияланды, бұл жобалық көрсеткіштерге жетіп немесе одан асып түсті. АҚШ-та жаңартылатын отын стандарты және Калифорния штатында қабылданған сияқты төмен көміртекті отын стандарты, төмен көміртекті отынға деген сұраныстың артуын көрсетеді. Сонымен қатар, АҚШ заңнамасы әскерилердің баламалы сұйық отынды пайдалануын тек олардың өмірлік циклы бойынша шығарылатын парниктік газдардың мөлшері, 2007 жылғы Энергия тәуелсіздігі және қауіпсіздік туралы заңның (EISA) 526-бабында белгіленгендей, дәстүрлі мұнайға негізделген отынға қарағанда кем немесе тең болған жағдайда ғана рұқсат етеді.
Әлемдегі (АҚШ-тан тыс) көмірден сұйық отынға дейінгі жобалар
+Әлемдік (АҚШ емес) Көмірден Сұйық Отын Өндіру Жобалары Жоба Дамытушысы Орналасқан Жері Түрі Өнімдері Жұмыстың Басталуы Sasol Synfuels II (Батыс) & Sasol Synfuels III (Шығыс) Sasol (Pty) Ltd. Секунда, Оңтүстік Африка CTL 160,000 BPD; негізгі өнімдер бензин және жеңіл олефиндер (алкендер) 1977 (II) / 1983 (III) Шэньхуа Тікелей Көмір Сұйыту Зауыты Shenhua Group Эрдос, Ішкі Монголия, Қытай CTL (тікелей сұйыту) 20,000 BPD; негізгі өнімдер дизель отыны, сұйытылған мұнай газы, нафта 2008 Yitai CTL Зауыты Yitai Coal Oil Manufacturing Co., Ltd. Ордос, Чжунге, Қытай CTL 160,000 тонна/жыл Fischer–Tropsch сұйықтықтары 2009 Jincheng MTG Зауыты Jincheng Anthracite Mining Co., Ltd. Цзиньчэн, Қытай CTL 300,000 тонна/жыл MTG процесінен алынған метанол 2009 Sasol Synfuels Sasol (Pty) Ltd. Секунда, Оңтүстік Африка CTL 3,960,000 (Nm3/күн) синтез-газ сыйымдылығы; Fischer–Tropsch сұйықтықтары 2011 Shanxi Lu'an CTL Зауыты Shanxi Lu'an Co. Ltd. Луань, Қытай CTL 160,000 тонна/жыл Fischer–Tropsch сұйықтықтары 2014 ICM Көмірден Сұйық Отын Зауыты Industrial Corporation of Mongolia LLC (ICM) Тугруг Нуур, Моңғолия CTL 13,200,000 (Nm3/күн) синтез-газ сыйымдылығы; бензин 2015 Yitai Yili CTL Зауыты Yitai Yili Energy Co. Илі, Қытай CTL 30,000 BPD Fischer–Tropsch сұйықтықтары 2015 Yitai Ordos CTL Зауыты Фаза II Yitai Ордос, Чжунге Далу, Қытай CTL 46,000 BPD Fischer–Tropsch сұйықтықтары 2016 Yitai Ürümqi CTL Зауыты Yitai Гуаньцюаньбао, Урумчи, Қытай CTL 46,000 BPD Fischer–Tropsch сұйықтықтары 2016 Shenhua Ningxia CTL Жобасы Shenhua Group Corporation Ltd Қытай, Иньчуань, Нинся CTL дизель және нафтаның жылына 4 миллион тоннасы 2016 Clean Carbon Industries Clean Carbon Industries Мозамбик, Тете провинциясы Көмір қалдықтарынан сұйық отын 65,000 BPD отын 2020 Arckaringa Жобасы Altona Energy Австралия, Оңтүстік CTL 30,000 BPD Фаза I 45,000 BPD + 840 МВт Фаза II TBD
АҚШ-тың көмірден сұйық отынға дейінгі жобалары
+U.S. Coal to Liquid Fuels Projects Project Developer Locations Type Products StatusAdams Fork Energy TransGas WV CTLTransGas Development Systems (TGDS)Mingo County, West VirginiaCTL7,500 TPD of coal to 18,000 BPD gasoline and 300 BPD LPGOperations 2016 or laterAmerican Lignite Energy (aka Coal Creek Project)American Lignite Energy LLC (North American Coal, Headwaters Energy Services)MacLean County, North DakotaCTL11.5 million TPY lignite coal to 32,000 BPD of undefined fuelDelayed/CancelledBelwood Coal to Liquids Project (Natchez)RentechNatchez, MississippiCTLPetcoke to up to 30,000 BPD ultra clean dieselDelayed/CancelledCleanTech Energy ProjectUSA Synthetic Fuel Corp. (USASF)WyomingSynthetic crude30.6 mm bbls/year of synthetic crude (or 182 billion cubic feet per year)Planning/financing not securedCook Inlet Coal to Liquids Project (aka Beluga CTL)AIDEA and Alaska Natural Resources to LiquidsCook Inlet, AlaskaCTL16 million TPY coal to 80,000 BPD of diesel and naphtha; CO2 for EOR; 380 MW electrical generationDelayed/CancelledDecatur Gasification PlantSecure EnergyDecatur, IllinoisCTL1.5 million TPY of high sulfur IL coal generating 10,200 barrels per day of high quality gasolineDelayed/CancelledEast Dubuque PlantRentech Energy Midwest Corporation (REMC)East Dubuque, IllinoisCTL, polygeneration1,000 tpd ammonia; 2,000 BPD clean fuels and chemicalsDelayed/CancelledFEDC Healy CTLFairbanks Economic Development Corp. (FEDC)Fairbanks, AlaskaCTL/GTL4.2 11.4 million TPY Healy mined coal; ~40k BPD liquid fuels; 110MWPlanningFreedom Energy Diesel CTLFreedom Energy Diesel LLCMorristown, TennesseeGTLUndeterminedDelayed/CancelledFuture Fuels Kentucky CTLFuture Fuels, Kentucky River PropertiesPerry County, KentuckyCTLNot specified. Coal to methanol and other chemicals (over 100 million tons of coal supply)ActiveHunton "Green Refinery" CTLHunton EnergyFreeport, TexasCTLBitumen crude oil to 340,000 BPD jet and diesel fuelDelayed/CancelledIllinois Clean Fuels ProjectAmerican Clean Coal FuelsColes County, IllinoisCTL4.3 million TPY coal/biomass to 400 million GPY diesel and jet fuelDelayed/CancelledLima Energy ProjectUSA Synthetic Fuel Corp. (USASF)Lima, OhioIGCC/SNG/H2, polygenerationThree Phases: 1) 2.7 million barrels of oil equivalent (BOE), 2) expand to 5.3 million BOE (3) expand to 8.0 million BOE (47 billion cf/y), 516 MWActiveMany Stars CTLAustralian American Energy Co. (Terra Nova Minerals or Great Western Energy), Crow NationBig Horn County, MontanaCTLFirst phase: 8,000 BPD liquidsActive (no new information since 2011)Medicine Bow Fuel and Power ProjectDKRW Advanced FuelsCarbon County, WyomingCTL3 million TPY coal to 11,700 BPD of gasolineDelayed/CancelledNABFG Weirton CTLNorth American Biofuels GroupWeirton, West VirginiaCTLUndeterminedDelayed/CancelledRentech Energy Midwest FacilityRentech Energy Midwest Corporation (REMC)East Dubuque, IllinoisCTL1,250 BPD dieselDelayed/CancelledRentech/Peabody Joint Development Agreement (JDA)Rentech/Peabody CoalKentuckyCTL10,000 and 30,000 BPDDelayed/CancelledRentech/Peabody MinemouthRentech/Peabody CoalMontanaCTL10,000 and 30,000 BPDDelayed/CancelledSecure Energy CTL (aka MidAmericaC2LMidAmericaC2L / SiemensMcCracken County, KentuckyCTL10,200 BPD gasolineActive (no new information since 2011)Tyonek Coal to Liquids (formerly Alaska Accelergy CTL Project)Accelergy, Tyonek Native Corporation (TNC)Cook Inlet, AlaskaCBTLUndefined amount of coal/biomass to 60,000 BPD jet fuel/gasoline/diesel and 200-400 MW electricityPlanningUS Fuel CTLUS Fuel CorporationPerry County/Muhlenberg County, KentuckyCTL300 tons of coal into 525 BPD liquid fuels including diesel and jet fuelActive