Las tecnologías de licuefacción específicas generalmente se dividen en dos categorías: procesos de licuefacción directa (DCL) e indirecta (ICL). Los procesos directos se basan en enfoques como la carbonización, la pirólisis y la hidrogenación.
Los procesos de licuefacción indirecta generalmente implican la gasificación del carbón en una mezcla de monóxido de carbono e hidrógeno, a menudo conocido como gas de síntesis o simplemente gas de síntesis. Utilizando el proceso Fischer-Tropsch, el gas de síntesis se convierte en hidrocarburos líquidos.
En cambio, los procesos de licuefacción directa convierten el carbón en líquidos directamente sin tener que depender de pasos intermedios al descomponer la estructura orgánica del carbón con la aplicación de solvente donante de hidrógeno, a menudo a altas presiones y temperaturas. Dado que los hidrocarburos líquidos generalmente tienen una relación molar hidrógeno-carbono más alta que los carbones, se deben emplear procesos de hidrogenación o rechazo de carbono en las tecnologías ICL y DCL.
A escala industrial (p. ej. miles de barriles / día) una planta de licuefacción de carbón normalmente requiere inversiones de capital multimillonarias.
Procesos de pirólisis y carbonizacióneditar
Existen varios procesos de carbonización. La conversión de carbonización ocurre típicamente a través de pirólisis o destilación destructiva. Produce alquitrán de hulla condensable, aceite y vapor de agua, gas sintético no condensable y un residuo sólido: carbón.
Un ejemplo típico de carbonización es el proceso de Karrick. En este proceso de carbonización a baja temperatura, el carbón se calienta a 680 °F (360 °C) a 1,380 °F (750 °C) en ausencia de aire. Estas temperaturas optimizan la producción de alquitranes de hulla más ricos en hidrocarburos más ligeros que el alquitrán de hulla normal. Sin embargo, los líquidos producidos son en su mayoría un subproducto y el producto principal es el semicoque, un combustible sólido y sin humo.
El proceso COED, desarrollado por FMC Corporation, utiliza un lecho fluidizado para el procesamiento, en combinación con el aumento de la temperatura, a través de cuatro etapas de pirólisis. El calor es transferido por los gases calientes producidos por la combustión de parte del carbón producido. Una modificación de este proceso, el Proceso COGAS, implica la adición de gasificación de carbón. El proceso TOSCOAL, análogo al proceso de retorta de esquisto bituminoso TOSCO II y al proceso Lurgi–Ruhrgas, que también se utiliza para la extracción de aceite de esquisto bituminoso, utiliza sólidos reciclados en caliente para la transferencia de calor.
Los rendimientos líquidos de la pirólisis y el proceso de Karrick se consideran generalmente demasiado bajos para su uso práctico en la producción de combustible líquido sintético. Los alquitranes de carbón y aceites resultantes de la pirólisis generalmente requieren un tratamiento adicional antes de que puedan utilizarse como combustibles para motores; se procesan mediante tratamiento con hidrógeno para eliminar especies de azufre y nitrógeno, después de lo cual finalmente se procesan en combustibles líquidos.
En resumen, la viabilidad económica de esta tecnología es cuestionable.
Procesos de hidrogenacióneditar
Uno de los principales métodos de conversión directa de carbón a líquidos por proceso de hidrogenación es el proceso Bergius, desarrollado por Friedrich Bergius en 1913. En este proceso, el carbón seco se mezcla con aceite pesado reciclado del proceso. Normalmente se agrega un catalizador a la mezcla. La reacción ocurre a una presión de hidrógeno de entre 400 °C (752 °F) y 500 °C (932 °F) y 20 a 70 MPa. La reacción puede ser resumido de la siguiente manera:
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}}
Después de la I Guerra Mundial, varias de las plantas basado en esta tecnología fueron construidos en Alemania; estas plantas se utilizaron ampliamente durante la Segunda Guerra Mundial para suministrar combustible y lubricantes a Alemania. El proceso Kohleoel, desarrollado en Alemania por Ruhrkohle y VEBA, se utilizó en la planta de demostración con una capacidad de 200 toneladas de lignito por día, construida en Bottrop, Alemania. Esta planta funcionó de 1981 a 1987. En este proceso, el carbón se mezcla con un disolvente de reciclaje y un catalizador de hierro. Después de precalentar y presurizar, se agrega H2. El proceso se lleva a cabo en un reactor tubular a una presión de 300 bar (30 MPa) y a una temperatura de 470 °C (880 °F). Este proceso también fue explorado por SASOL en Sudáfrica.
Durante las décadas de 1970 y 1980, las empresas japonesas Nippon Kokan, Sumitomo Metal Industries y Mitsubishi Heavy Industries desarrollaron el proceso NEDOL. En este proceso, el carbón se mezcla con un disolvente reciclado y un catalizador sintético a base de hierro; después del precalentamiento, se agrega H2. La reacción tiene lugar en un reactor tubular a una temperatura entre 430 °C (810 °F) y 465 °C (870 °F) a la presión de 150-200 bar. El aceite producido es de baja calidad y requiere una mejora intensiva. Proceso de H-Carbón, desarrollado por Hydrocarbon Research, Inc., en 1963, mezcla carbón pulverizado con líquidos reciclados, hidrógeno y catalizador en el reactor de lecho ebullido. Las ventajas de este proceso son que la disolución y la mejora del aceite se llevan a cabo en un solo reactor, los productos tienen una alta relación H/C y un tiempo de reacción rápido, mientras que las principales desventajas son un alto rendimiento de gas (esto es básicamente un proceso de craqueo térmico), un alto consumo de hidrógeno y la limitación del uso de aceite solo como aceite de caldera debido a las impurezas.
Los procesos SRC-I y SRC-II (Solvent Refined Coal) fueron desarrollados por Gulf Oil e implementados como plantas piloto en los Estados Unidos en las décadas de 1960 y 1970.
La Nuclear Utility Services Corporation desarrolló un proceso de hidrogenación que fue patentado por Wilburn C. Schroeder en 1976. El proceso involucró carbón seco y pulverizado mezclado con catalizadores de molibdeno de aproximadamente 1wt%. La hidrogenación se produjo mediante el uso de gas de síntesis a alta temperatura y presión producido en un gasificador separado. En última instancia, el proceso produjo un producto crudo sintético, nafta, una cantidad limitada de gas C3/C4, líquidos ligeros y medianos (C5-C10) adecuados para su uso como combustibles, pequeñas cantidades de NH3 y cantidades significativas de CO2. Otros procesos de hidrogenación de una sola etapa son el Proceso de Disolvente Donante Exxon, el Proceso de Alta presión de Imhausen y el Proceso de Cloruro de Zinc Conoco.
También hay una serie de procesos de licuefacción directa de dos etapas; sin embargo, después de la década de 1980 solo el Proceso de Licuefacción Catalítica de Dos etapas, modificado del Proceso de H-Carbón; se han desarrollado el Proceso de Extracción por Solvente Líquido de British Coal y el Proceso de Licuefacción de Lignito del Japón.
Shenhua, una empresa minera de carbón china, decidió en 2002 construir una planta de licuefacción directa en Erdos, Mongolia Interior (Erdos CTL), con una capacidad de 20 mil barriles diarios (3,2×103 m3/día) de productos líquidos, incluidos el gasóleo, el gas licuado de petróleo (GLP) y la nafta (éter de petróleo). Las primeras pruebas se realizaron a finales de 2008. En octubre de 2009 se inició una segunda y más larga campaña de pruebas. En 2011, el Grupo Shenhua informó que la planta de licuefacción directa había estado en operaciones continuas y estables desde noviembre de 2010, y que Shenhua había obtenido 800 millones de yuanes (125,1 millones de dólares) en ganancias antes de impuestos en los primeros seis meses de 2011 en el proyecto.
Chevron Corporation desarrolló un proceso inventado por Joel W. Rosenthal llamado Proceso de Licuefacción de Carbón Chevron (CCLP). Es único debido al acoplamiento estrecho del disolvente no catalítico y la unidad de hidroprocesamiento catalítico. El aceite producido tenía propiedades únicas en comparación con otros aceites de carbón; era más ligero y tenía muchas menos impurezas de heteroátomos. El proceso se amplió al nivel de 6 toneladas por día, pero no se demostró comercialmente.
Procesos de conversión indirectaeditar
Los procesos de licuefacción indirecta de carbón (ICL) funcionan en dos etapas. En la primera etapa, el carbón se convierte en gas de síntesis (una mezcla purificada de gas CO y H2). En la segunda etapa, el gas de síntesis se convierte en hidrocarburos ligeros utilizando uno de los tres procesos principales: Síntesis Fischer-Tropsch, síntesis de metanol con posterior conversión a gasolina o petroquímicos, y metanación. Fischer-Tropsch es el más antiguo de los procesos ICL.
En los procesos de síntesis de metanol, el gas de síntesis se convierte en metanol, que posteriormente se polimeriza en alcanos sobre un catalizador de zeolita. Este proceso, bajo el nombre de MTG (MTG para «Metanol a gasolina»), fue desarrollado por Mobil a principios de la década de 1970, y está siendo probado en una planta de demostración por Jincheng Antracita Mining Group (JAMG) en Shanxi, China. Sobre la base de esta síntesis de metanol, China también ha desarrollado una fuerte industria de conversión de carbón en productos químicos, con productos como olefinas, MEG, DME y aromáticos.
La reacción de metanación convierte el gas de síntesis en gas natural sustituto (SNG). La Planta de Gasificación de Great Plains en Beulah, Dakota del Norte, es una instalación de carbón a gas natural licuado que produce 160 millones de pies cúbicos por día de gas natural licuado, y ha estado en funcionamiento desde 1984. En China, Corea del Sur e India se encuentran en funcionamiento o en proyecto varias plantas de conversión de carbón a gas natural.
En otra aplicación de gasificación, el hidrógeno extraído de gas sintético reacciona con nitrógeno para formar amoníaco. El amoníaco reacciona con el dióxido de carbono para producir urea.
Las instancias anteriores de plantas comerciales basadas en procesos indirectos de licuefacción de carbón, así como muchas otras no enumeradas aquí, incluidas las que se encuentran en etapas de planificación y en construcción, se tabulan en la Base de Datos Mundial de Gasificación del Consejo de Tecnologías de Gasificación.