Spezifische Verflüssigungstechnologien lassen sich im Allgemeinen in zwei Kategorien einteilen: direkte (DCL) und indirekte Verflüssigungsprozesse (ICL). Direkte Prozesse basieren auf Ansätzen wie Carbonisierung, Pyrolyse und Hydrierung.
Indirekte Verflüssigungsprozesse beinhalten im Allgemeinen die Vergasung von Kohle zu einem Gemisch aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff, das oft als Synthesegas oder einfach Syngas bezeichnet wird. Mit dem Fischer–Tropsch-Verfahren wird Synthesegas in flüssige Kohlenwasserstoffe umgewandelt.
Im Gegensatz dazu wandeln direkte Verflüssigungsprozesse Kohle direkt in Flüssigkeiten um, ohne auf Zwischenschritte angewiesen zu sein, indem sie die organische Struktur der Kohle unter Anwendung von Wasserstoff-Donor-Lösungsmittel, oft bei hohen Drücken und Temperaturen, aufbrechen. Da flüssige Kohlenwasserstoffe im Allgemeinen ein höheres Wasserstoff-Kohlenstoff-Molverhältnis aufweisen als Kohlen, müssen sowohl in ICL- als auch in DCL-Technologien entweder Hydrier- oder Kohlenstoffabstoßungsverfahren eingesetzt werden.
Im industriellen Maßstab (z. tausende Barrel / Tag) erfordert eine Kohleverflüssigungsanlage typischerweise milliardenschwere Kapitalinvestitionen.
Pyrolyse- und Karbonisierungsprozessebearbeiten
Es gibt eine Reihe von Karbonisierungsprozessen. Die Karbonisierungsumsetzung erfolgt typischerweise durch Pyrolyse oder destruktive Destillation. Es produziert kondensierbaren Kohlenteer, Öl- und Wasserdampf, nicht kondensierbares synthetisches Gas und einen festen Rückstand – Char.
Ein typisches Beispiel für die Karbonisierung ist der Karrick-Prozess. In diesem Karbonisierungsprozeß der niedrigen Temperatur wird Kohle an 680 °F (360 °C) zu 1.380 °F (750 °C) in Abwesenheit von Luft erhitzt. Diese Temperaturen optimieren die Produktion von Kohlenteeren, die reich an leichteren Kohlenwasserstoffen sind als normaler Kohlenteer. Alle produzierten Flüssigkeiten sind jedoch meist ein Nebenprodukt und das Hauptprodukt ist Halbkoks – ein fester und rauchfreier Brennstoff.
Das von der FMC Corporation entwickelte COED-Verfahren verwendet ein Wirbelbett zur Verarbeitung in Kombination mit zunehmender Temperatur durch vier Stufen der Pyrolyse. Wärme wird durch heiße Gase übertragen, die durch Verbrennung eines Teils des erzeugten Holzkohles entstehen. Eine Modifikation dieses Prozesses, der COGAS-Prozess, beinhaltet die Zugabe von Vergasung von char. Das TOSCOAL-Verfahren, ein Analogon zum TOSCO II-Ölschiefer-Retortierverfahren und dem Lurgi-Ruhrgas-Verfahren, das auch für die Schieferölgewinnung verwendet wird, verwendet heiße recycelte Feststoffe für die Wärmeübertragung.
Flüssigausbeuten der Pyrolyse und des Karrick-Verfahrens werden allgemein als zu gering für die praktische Anwendung zur Herstellung synthetischer Flüssigbrennstoffe angesehen. Die bei der Pyrolyse anfallenden Kohlenteer und Öle bedürfen in der Regel einer weiteren Behandlung, bevor sie als Kraftstoffe verwendet werden können; Sie werden durch Hydrobehandlung zur Entfernung von Schwefel- und Stickstoffspezies verarbeitet, wonach sie schließlich zu flüssigen Kraftstoffen verarbeitet werden.
Zusammenfassend ist die Wirtschaftlichkeit dieser Technologie fraglich.
Hydrierprozessebearbeiten
Eine der wichtigsten Methoden zur direkten Umwandlung von Kohle in Flüssigkeiten durch Hydrierverfahren ist das Bergius-Verfahren, das 1913 von Friedrich Bergius entwickelt wurde. In diesem Prozess wird trockene Kohle mit Schweröl gemischt, das aus dem Prozess recycelt wird. Typischerweise wird der Mischung ein Katalysator zugesetzt. Die Reaktion erfolgt zwischen 400°C (752°F) und 500°C (932°F) und 20 bis 70 MPa Wasserstoffdruck. Die Reaktion lässt sich wie folgt zusammenfassen:
n C + ( n + 1 ) H 2 ⟶ C n H 2 n + 2 {\displaystyle n{\ce {C}}+(n+1){\ce {H2 -> C}}{}_{n}{\ce {H}}_{2n+2}}
Nach dem Ersten Weltkrieg wurden in Deutschland mehrere auf dieser Technologie basierende Anlagen gebaut; diese Anlagen wurden während des Zweiten Weltkriegs intensiv genutzt, um Deutschland mit Treibstoff und Schmierstoffen zu versorgen. Das von Ruhrkohle und VEBA in Deutschland entwickelte Kohleoel-Verfahren wurde in der Demonstrationsanlage mit einer Kapazität von 200 Tonnen Braunkohle pro Tag in Bottrop eingesetzt. Diese Anlage war von 1981 bis 1987 in Betrieb. Bei diesem Verfahren wird Kohle mit einem Recyclinglösungsmittel und einem Eisenkatalysator gemischt. Nach Vorwärmen und Druckbeaufschlagung wird H2 zugegeben. Das Verfahren findet in einem Rohrreaktor bei einem Druck von 300 bar (30 MPa) und einer Temperatur von 470°C (880°F) statt. Dieser Prozess wurde auch von SASOL in Südafrika erforscht.
In den 1970er und 1980er Jahren entwickelten die japanischen Unternehmen Nippon Kokan, Sumitomo Metal Industries und Mitsubishi Heavy Industries das NEDOL-Verfahren. Bei diesem Verfahren wird Kohle mit einem recycelten Lösungsmittel und einem synthetischen Katalysator auf Eisenbasis gemischt; Nach dem Vorheizen wird H2 zugegeben. Die Reaktion findet in einem Rohrreaktor bei einer Temperatur zwischen 430°C (810°F) und 465°C (870°F) bei einem Druck von 150-200 bar statt. Das produzierte Öl hat eine geringe Qualität und erfordert eine intensive Aufrüstung. H-Coal Process, entwickelt von Hydrocarbon Research, Inc., 1963, mischt Kohlenstaub mit recycelten Flüssigkeiten, Wasserstoff und Katalysator im Ebullated Bed Reactor. Vorteile dieses Prozesses sind, dass Auflösung und Ölverbesserung im Einzelreaktor stattfinden, Produkte ein hohes H / C-Verhältnis und eine schnelle Reaktionszeit aufweisen, während die Hauptnachteile eine hohe Gasausbeute sind (dies ist im Grunde ein thermischer Crackprozess), hoher Wasserstoffverbrauch und Begrenzung der Ölverwendung nur als Kesselöl aufgrund von Verunreinigungen.
Die Verfahren SRC-I und SRC-II (Solvent Refined Coal) wurden von Gulf Oil entwickelt und in den 1960er und 1970er Jahren als Pilotanlagen in den USA implementiert.
Die Nuclear Utility Services Corporation entwickelte ein Hydrierverfahren, das 1976 von Wilburn C. Schroeder patentiert wurde. Das Verfahren umfasste getrocknete Kohlenstaub gemischt mit etwa 1 wt% Molybdän-Katalysatoren. Die Hydrierung erfolgte unter Verwendung von Hochtemperatur- und Drucksynthesegas, das in einem separaten Vergaser hergestellt wurde. Das Verfahren ergab schließlich ein synthetisches Rohprodukt, Naphtha, eine begrenzte Menge an C3 / C4-Gas, leichte bis mittelschwere Flüssigkeiten (C5-C10), die als Brennstoffe geeignet sind, geringe Mengen an NH3 und erhebliche Mengen an CO2. Weitere einstufige Hydrierverfahren sind das Exxon-Donor-Solvent-Verfahren, das Imhausen-Hochdruckverfahren und das Conoco-Zinkchlorid-Verfahren.
Es gibt auch eine Reihe von zweistufigen direkten Verflüssigungsprozessen; Nach den 1980er Jahren wurde jedoch nur der katalytische zweistufige Verflüssigungsprozess, modifiziert vom H-Kohle-Prozess; das flüssige Lösungsmittelextraktionsverfahren durch britische Kohle; und der Braunkohleverflüssigungsprozess Japans wurden entwickelt.
Shenhua, ein chinesisches Kohlebergbauunternehmen, beschloss 2002, eine Direktverflüssigungsanlage in Erdos, Innere Mongolei (Erdos CTL), mit einer Faßkapazität von 20 Tausend Barrel pro Tag (3,2 × 103 m3 / d) von flüssigen Produkten einschließlich Dieselöl, Flüssiggas (LPG) und Naphtha (Petrolether) zu bauen. Erste Tests wurden Ende 2008 durchgeführt. Eine zweite und längere Testkampagne wurde im Oktober 2009 gestartet. Im Jahr 2011 berichtete die Shenhua Group, dass die Direktverflüssigungsanlage seit November 2010 kontinuierlich und stabil in Betrieb war und dass Shenhua in den ersten sechs Monaten des Jahres 800 Millionen Yuan (125,1 Millionen US-Dollar) vor Steuern für das Projekt erzielt hatte.
Die Chevron Corporation entwickelte ein von Joel W. Rosenthal erfundenes Verfahren namens Chevron Coal Liquefaction Process (CCLP). Es ist einzigartig aufgrund der engen Kopplung des nichtkatalytischen Dissolvers und der katalytischen Hydroprozesseinheit. Das produzierte Öl hatte Eigenschaften, die im Vergleich zu anderen Kohleölen einzigartig waren; es war leichter und hatte weit weniger Heteroatomverunreinigungen. Der Prozess wurde auf das Niveau von 6 Tonnen pro Tag skaliert, aber kommerziell nicht nachgewiesen.
Indirekte Umwandlungsprozessebearbeiten
Indirekte Kohleverflüssigungsprozesse (ICL) arbeiten in zwei Stufen. In der ersten Stufe wird Kohle in Synthesegas (ein gereinigtes Gemisch aus CO und H2-Gas) umgewandelt. In der zweiten Stufe wird das Synthesegas mit einem von drei Hauptverfahren in leichte Kohlenwasserstoffe umgewandelt: Fischer-Tropsch-Synthese, Methanolsynthese mit anschließender Umwandlung in Benzin oder Petrochemie und Methanisierung. Fischer-Tropsch ist das älteste ICL-Verfahren.
Bei Methanolsyntheseprozessen wird Synthesegas in Methanol umgewandelt, das anschließend über einen Zeolithkatalysator zu Alkanen polymerisiert wird. Dieses Verfahren unter dem Namen MTG (MTG für „Methanol To Gasoline“) wurde Anfang der 1970er Jahre von Mobil entwickelt und wird in einer Demonstrationsanlage der Jincheng Anthracite Mining Group (JAMG) in Shanxi, China, getestet. Basierend auf dieser Methanolsynthese hat China auch eine starke Kohle-zu-Chemikalien-Industrie mit Outputs wie Olefinen, MEG, DME und Aromaten entwickelt.
Die Methanisierungsreaktion wandelt Synthesegas in Ersatzerdgas (SNG) um. Die Great Plains Gasification Plant in Beulah, North Dakota, ist eine Kohle-zu-SNG-Anlage, die 160 Millionen Kubikfuß SNG pro Tag produziert und seit 1984 in Betrieb ist. In China, Südkorea und Indien sind mehrere Coal-to-SNG-Anlagen in Betrieb oder im Projekt.
Bei einer anderen Anwendung der Vergasung reagiert aus synthetischem Gas extrahierter Wasserstoff mit Stickstoff unter Bildung von Ammoniak. Ammoniak reagiert dann mit Kohlendioxid unter Bildung von Harnstoff.
Die oben genannten Beispiele kommerzieller Anlagen, die auf indirekten Kohleverflüssigungsprozessen basieren, sowie viele andere, die hier nicht aufgeführt sind, einschließlich derjenigen, die sich in der Planungsphase befinden und sich im Bau befinden, sind in der World Gasification Database des Gasification Technologies Council tabellarisch aufgeführt.