Tecnología de licuefacción indirecta de carbón (ICL)
La tecnología de licuefacción indirecta del carbón consiste en gasificar primero todo el carbón en gas de síntesis y luego utilizar gas de síntesis a base de carbón (monóxido de carbono e hidrógeno) como materia prima para sintetizarlo catalíticamente en fueloil de hidrocarburos e hidrocarburos a una velocidad Cierta temperatura y presión. El proceso de materias primas y productos químicos incluye la gasificación del carbón para producir gas de síntesis, la purificación y el intercambio de gases, la síntesis catalítica de productos de hidrocarburos y el procesamiento de separación y conversión de productos. En 1923, los químicos alemanes desarrollaron por primera vez la tecnología de licuación indirecta del carbón. En 1923, los químicos alemanes desarrollaron por primera vez la tecnología de licuefacción indirecta del carbón. A principios de la década de 1940, para satisfacer las necesidades de la guerra, Alemania construyó nueve plantas de licuefacción indirecta. Después de la Segunda Guerra Mundial, también debido al desarrollo de petróleo y gas natural baratos, las fábricas mencionadas fueron cerradas y reconvertidas a otros usos. Desde entonces, con el desarrollo exitoso de catalizadores compuestos de hierro y el desarrollo y aplicación de nuevos reactores, la tecnología de licuefacción indirecta de carbón ha seguido avanzando. Sin embargo, debido al complejo proceso de licuefacción indirecta de carbón, la gran inversión inicial y el alto costo, otros países. excepto Sudáfrica se han centrado en la licuefacción indirecta del carbón. El interés en la licuefacción en relación con la licuefacción directa está disminuyendo gradualmente.
Existen tres tecnologías principales de licuefacción indirecta de carbón: el método de síntesis Sasol Fischer-Tropsch en Sudáfrica, el método Mobil de metanol a gasolina en los Estados Unidos y el método de síntesis directa en desarrollo. La tecnología de licuefacción indirecta de carbón se ha comercializado en el extranjero. Actualmente, sólo hay tres plantas de producción comercial en el mundo, a saber, Sasol Company en Sudáfrica y plantas de licuefacción indirecta de carbón en Nueva Zelanda y Malasia. La planta de licuefacción indirecta de carbón de Nueva Zelanda utiliza el proceso de licuefacción Mobil, pero solo realiza el primer paso de la licuefacción indirecta, que consiste en utilizar gas natural o gas de síntesis de gasificación de carbón para producir metanol. No utiliza más metanol para producir fueloil ni otros productos químicos. productos La capacidad de producción es de 12.500 barriles por día. La planta de licuefacción indirecta de carbón de Malasia utiliza un proceso de licuefacción similar al de la sudafricana Sasol, pero se diferencia en que produce diésel y queroseno de alta calidad a partir de gas natural, con una capacidad de producción de 500.000 toneladas/año. Por lo tanto, en sentido estricto, Sasol de Sudáfrica es el único productor comercial de licuefacción indirecta de carbón del mundo.
La sudafricana Sasol se fundó a principios de los años 50. En 1955, la empresa construyó la primera planta Sasol-1 para producir fueloil a partir de carbón. Después de la crisis del petróleo de los años 1970, en 1980 y 1982 se construyeron las plantas Sasol-2 y Sasol-3. Las tres plantas de licuefacción indirecta de carbón procesan aproximadamente 46 millones de toneladas de carbón anualmente y producen un producto total de 7,68 millones de toneladas, produciendo principalmente gasolina, diesel, cera, aceite de cera, gasolina, diesel y queroseno. Produce principalmente 113 productos como gasolina, diesel, cera, amoníaco, etileno, propileno, polímeros, alcoholes, aldehídos, etc., de los cuales los productos petrolíferos representan el 60% y los productos químicos el 40%. La empresa produce gasolina y diésel para satisfacer el 28% de las necesidades de Sudáfrica y es líder mundial en tecnología de licuefacción indirecta de carbón.
Además, la empresa estadounidense SGI desarrolló una nueva tecnología de licuefacción de carbón a finales de los años 80, la tecnología LFC (coal-to-liquid). Esta tecnología utiliza tecnología de destilación y secado a baja temperatura para extraer carbón limpio sólido de alta calidad y fueloil líquido a partir de carbón no coquizable, como el carbón subbituminoso o el lignito. La SGI Corporation de los Estados Unidos construyó una planta de demostración comercial en 1992 con una capacidad de procesamiento diario de 1.000 toneladas de carbón subbituminoso. La síntesis de Fisher-Tropsch se refiere a la reacción de hidrogenación de CO en fase no coloidal bajo la acción de un catalizador sólido para generar hidrocarburos (C1 ~ C25) y compuestos que contienen oxígeno de diferentes longitudes de cadena. Esta reacción fue descubierta por primera vez por F. Fischer y H. Tropsch en 1923, posteriormente perfeccionada por Fischer et al., e industrializada en la Ruhr Chemical Company en 1936, por lo que se denomina reacción de síntesis de Fischer-Tropsch.
La fórmula estequiométrica de la reacción de síntesis de Fischer-Tropsch varía mucho dependiendo del catalizador y las condiciones de operación, pero puede describirse mediante las dos fórmulas de reacción básicas siguientes.
(1) Reacción de generación de hidrocarburos
CO+2H2→(-CH2-)+H2O
(2) Reacción de desplazamiento de gas agua
CO+ H2O→H2+ CO2
Según las dos fórmulas anteriores, se puede deducir la fórmula general de la reacción de síntesis:
2CO+H2→(-CH2-)+ CO2
De las dos fórmulas anteriores, la fórmula química general para la generación de alcanos y alquenos se puede deducir de la siguiente manera:
(3) Reacción de generación de alcanos
nCO+(2n+ 1)H2→CnH2n+2 +nH2O
2nCO+(n+1)H2→CnH2n+2+nCO2
3nCO+(n+1)H2O→CnH2n+2+(2n +1)CO2
nCO2+(3n+1)H2→CnH2n+2+2nH2O
(4) Reacción de generación de alquenos
nCO+2nH2→ CnH2n+nH2O
2nCO+nH2→CnH2n+nCO2
3nCO+nH2O→CnH2n+2nCO2
nCO2+3nH2→CnH2n+2nH2O
Principales reacciones de licuefacción indirecta Es la reacción anterior Debido a las diferentes condiciones de reacción, también existen reacciones de generación de metano, reacciones de generación de alcohol (esta reacción es necesaria para producir metanol), reacciones de generación de aldehído, etc. La licuefacción indirecta del carbón se puede dividir en dos procesos: síntesis a alta temperatura y síntesis a baja temperatura. Los principales productos de la síntesis a alta temperatura son la nafta, el propileno, las α-olefinas y los alcanos C14-C18. Estos productos se pueden utilizar como materias primas para la producción de alternativas petroquímicas, como el uso de fracciones de nafta para producir etileno y α-olefinas. producen detergentes de alta calidad, etc., y también se pueden procesar en combustibles para motores de alta calidad, como gasolina y diésel. Los principales productos de la síntesis a baja temperatura son el diésel, el queroseno de aviación, la cera y el gas licuado de petróleo. El índice de cetano del diésel producido mediante licuefacción indirecta de carbón puede llegar a 70, lo que lo convierte en un producto de mezcla de diésel de alta calidad.
Los principales procesos de licuefacción indirecta de carbón incluyen el proceso Sasol, el proceso SMDS de Shell, la tecnología Syntroleum, la tecnología AGC-21 de Exxon y la tecnología Rentech. La producción industrial incluye los procesos de lecho en suspensión, lecho fluidizado, lecho fijo de Sasol y el proceso de lecho fijo de Shell. A nivel internacional, la planta de petróleo sintético Sasol de Sudáfrica y Shell de Malasia tienen una experiencia operativa de largo plazo.
Un proceso típico de síntesis de FT a base de carbón consta de tres pasos puramente "en tándem": gasificación del carbón y purificación de gas, reacción de síntesis y descarbonización de FT; El gas crudo de la unidad de gasificación se desempolva y se enfría para obtener gas limpio. El gas limpio se somete a una conversión antiazufre de CO a amplia temperatura y a la eliminación de gases ácidos (incluidos H2 y CO2, etc.) para obtener gas de síntesis con una composición calificada. El gas de síntesis ingresa al reactor de síntesis y, bajo cierta temperatura, presión y catalizador, el H2S y el CO se convierten en hidrocarburos lineales, agua y una pequeña cantidad de compuestos orgánicos que contienen oxígeno. El producto se separa en tres fases. La fase acuosa se utiliza para extraer alcoholes, cetonas, aldehídos y otras sustancias químicas. La fase oleosa adopta métodos convencionales de refinación del petróleo (como la presión normal y la destilación al vacío). necesario y procesado adicionalmente (como hidrorefinación, condensación degradada de hidrógeno crudo, reformado catalítico, hidrocraqueo, etc., la fase gaseosa se refrigera y separa, y el proceso de conversión de olefinas se utiliza para obtener gas de petróleo licuado, propileno de grado de polimerización, grado de polimerización); etileno y combustible de poder calorífico medio. Mediante la separación por congelación y la conversión de olefinas, se puede obtener gas licuado de petróleo, propileno de calidad polimérica, etileno de calidad polimérica y gas combustible de poder calorífico medio. (1) Las condiciones de síntesis son suaves, ya sea un lecho fijo, un lecho fluidizado o un lecho en suspensión, la temperatura de reacción es inferior a 350 °C y la presión de reacción es de 2,0 a 3,0 MPa;
( 2) La tasa de conversión es alta. Por ejemplo, el proceso SASOL SAS utiliza un catalizador de hierro fundido. La tasa de conversión de gas de síntesis en una pasada supera el 60%, la relación de circulación es 2,0 y la tasa de conversión total es aproximadamente el 90%.
El proceso SMDS de Shell utiliza catalizadores a base de cobalto, que tiene una tasa de conversión más alta;
(3) Limitada por el mecanismo de conversión del crecimiento de la cadena del proceso de síntesis, la selectividad del producto objetivo es relativamente baja, con muchos subproductos de síntesis y ortostéricos El rango de hidrocarburos de cadena varía de C1 a C100 a medida que disminuye la temperatura de síntesis, aumenta la producción de hidrocarburos pesados (como el aceite de cera) y la producción de hidrocarburos ligeros (como CH4, CH4, CH4; ), se reduce el rendimiento de CH4, C2H4, C2H6,...etc.);
(4) El rendimiento teórico del producto eficaz -CH2- es bajo, sólo un 43,75%, pero el rendimiento teórico El rendimiento de las aguas residuales del proceso llega al 56,25%;
(5) El consumo de carbón es alto. Generalmente, se necesitan entre 5 y 7 toneladas de carbón crudo para producir 1 tonelada de petróleo refinado.
(6) Todos los reactivos están en fase gaseosa y el equipo es de gran tamaño, los costos de inversión y operación son altos.
(7) La licuación indirecta a base de carbón; No existe licuefacción indirecta a base de carbón en la gasificación a gran escala. Mi país ha estado realizando investigaciones sobre la tecnología de licuefacción indirecta de carbón desde principios de la década de 1950. Se llevó a cabo en Jinzhou una prueba de licuefacción indirecta de carbón de 4.500 toneladas/año, pero luego se suspendió debido al descubrimiento del yacimiento petrolífero de Daqing. Debido a las dos crisis petroleras del decenio de 1970 y a una serie de problemas causados por la estructura energética del "carbón rico pero poco petróleo", mi país reanudó a principios del decenio de 1980 la investigación sobre la tecnología de síntesis indirecta de licuefacción de carbón de la gasolina, organizada e implementada por el Instituto de Química del Carbón de Shanxi de la Academia de Ciencias de China.
Durante el período del "Séptimo Plan Quinquenal", la tecnología de gasolina sintética a base de carbón del Shanxi Coal Chemical Institute fue catalogada como un proyecto científico y tecnológico clave a nivel nacional. En 1989, se completó una pequeña prueba en la fábrica de fertilizantes del condado de Dai. Durante el período del Octavo Plan Quinquenal, el estado y el gobierno provincial de Shanxi invirtieron más de 20 millones de yuanes para establecer una planta piloto industrial con una producción anual de 2.000 toneladas de gasolina en la planta de fertilizantes Jincheng, produciendo gasolina número 90. En 2001, el Programa Nacional 863 y la Academia de Ciencias de China lanzaron conjuntamente un importante proyecto científico y tecnológico sobre la conversión de carbón en líquidos. La Academia de Ciencias de China emprendió la investigación de este proyecto. El Ministerio de Ciencia y Tecnología invirtió 60 millones y el gobierno provincial invirtió 10 millones. Con el apoyo de empresas locales y después de más de un año de investigación y desarrollo, se alcanzaron las 1.000 toneladas. La plataforma piloto de lecho de lodo realizó su primera prueba en septiembre de 2002 y sintetizó el primer lote de petróleo crudo. El aceite sintético de lodo a baja temperatura puede obtener un 70%. El índice de cetano del gasóleo izquierdo y derecho alcanza más de 70. Otros productos incluyen petróleo licuado. gas (alrededor del 70%), compuestos oxigenados, etc. Su tecnología principal es el catalizador para la síntesis de Fischer-Tropsch. También se han logrado avances importantes en la ingeniería de reactores y procesos.
El desarrollo de software y la investigación de integración. La tecnología de proceso de gasolina sintética a base de carbón de 10.000 toneladas está en marcha y la síntesis de catalizadores a base de cobalto se ha estudiado desde principios de la década de 1990. La tecnología diésel también se encuentra en la etapa experimental. Después de más de 20 años de desarrollo e investigación, mi país ahora tiene. Las reservas técnicas para construir unidades de producción a escala de 10.000 toneladas y tiene derechos de propiedad intelectual independientes en tecnologías clave e investigación y desarrollo de catalizadores. Se puede decir que China ha desarrollado de forma independiente la tecnología de producción de petróleo que ha alcanzado el nivel avanzado del mundo. El Instituto Químico del Carbón de la Academia de Ciencias de China y Lianshun Energy Co., Ltd. han llegado a un acuerdo para establecer conjuntamente un laboratorio de petróleo sintético. Lianshun Company proporcionará 15 millones de RMB en fondos de investigación y desarrollo de tecnología al Instituto Químico del Carbón de Shanxi. La investigación y el desarrollo de tecnologías clave relevantes finalmente tardaron entre 3 y 5 años para construir un dispositivo de producción de licuefacción indirecta con una producción anual de 150.000 toneladas de aceite licuado sintético en Shuozhou, Shanxi. La Academia de Ciencias de China y el gobierno provincial de Shanxi firmaron el "Shanxi". Industria del petróleo sintético de licuefacción indirecta del carbón de la provincia". Acuerdo marco de desarrollo, según el acuerdo, en los próximos 5 a 10 años, la provincia de Shanxi dependerá de sus propias ventajas de recursos de carbón, con la ayuda de la unión del departamento de industrialización y a través de inversión nacional y financiación social, para construir un proyecto de año nuevo en la ciudad de Shuozhou, provincia de Shanxi. Se construirá un dispositivo de producción de licuación indirecta con una capacidad de 150.000 toneladas de petróleo licuado sintético entre los principales yacimientos de carbón de Shuozhou y Datong. Se construirá un grupo empresarial de poliproducción a gran escala con un núcleo de un millón de toneladas de petróleo sintético a base de carbón.
En términos de desarrollo tecnológico, las empresas carboníferas nacionales han trabajado mucho para introducir tecnologías maduras y construir. Las plantas de licuefacción indirecta de carbón Pingdingshan Coal Industry Group, Ningxia Coal Industry Group y Shenhua Group han realizado unidades de demostración comercial de licuefacción indirecta de carbón y estudios de prefactibilidad de dispositivos, y se ha realizado una gran cantidad de trabajo preliminar en introducción de tecnología, inversión y financiación, establecimiento del proyecto, etc. El proyecto se encuentra actualmente en fase de demostración.