Les technologies de liquéfaction spécifiques se classent généralement en deux catégories: les procédés de liquéfaction directe (DCL) et les procédés de liquéfaction indirecte (ICL). Les processus directs sont basés sur des approches telles que la carbonisation, la pyrolyse et l’hydrogénation.
Les procédés de liquéfaction indirecte impliquent généralement la gazéification du charbon en un mélange de monoxyde de carbone et d’hydrogène, souvent appelé gaz de synthèse ou simplement gaz de synthèse. Grâce au procédé Fischer–Tropsch, le gaz de synthèse est converti en hydrocarbures liquides.
En revanche, les procédés de liquéfaction directe convertissent directement le charbon en liquides sans avoir à recourir à des étapes intermédiaires en décomposant la structure organique du charbon avec application de solvant donneur d’hydrogène, souvent à des pressions et des températures élevées. Étant donné que les hydrocarbures liquides ont généralement un rapport molaire hydrogène-carbone plus élevé que les charbons, des procédés d’hydrogénation ou de rejet de carbone doivent être utilisés dans les technologies ICL et DCL.
À l’échelle industrielle (i.e. des milliers de barils / jour) une usine de liquéfaction du charbon nécessite généralement des investissements de plusieurs milliards de dollars.
Procédés de pyrolyse et de carbonismodifier
Un certain nombre de procédés de carbonisation existent. La conversion de carbonisation se produit généralement par pyrolyse ou distillation destructive. Il produit du goudron de houille condensable, du pétrole et de la vapeur d’eau, du gaz synthétique non condensable et un résidu solide – char.
Un exemple typique de carbonisation est le processus de Karrick. Dans ce procédé de carbonisation à basse température, le charbon est chauffé à 680 ° F (360 ° C) à 1 380 ° F (750 ° C) en l’absence d’air. Ces températures optimisent la production de goudrons de charbon plus riches en hydrocarbures plus légers que le goudron de houille normal. Cependant, tous les liquides produits sont pour la plupart un sous-produit et le produit principal est le semi-coke – un carburant solide et sans fumée.
Le procédé COED, développé par FMC Corporation, utilise un lit fluidisé pour le traitement, en combinaison avec l’augmentation de la température, à travers quatre étapes de pyrolyse. La chaleur est transférée par des gaz chauds produits par la combustion d’une partie du charbon produit. Une modification de ce procédé, le procédé COGAS, implique l’ajout de gazéification du charbon. Le procédé TOSCOAL, analogue au procédé d’autoclave de schiste bitumineux TOSCO II et au procédé Lurgi-Ruhrgas, également utilisé pour l’extraction de l’huile de schiste, utilise des solides recyclés à chaud pour le transfert de chaleur.
Les rendements liquides de la pyrolyse et du procédé de Karrick sont généralement considérés comme trop faibles pour une utilisation pratique pour la production de combustible liquide synthétique. Les goudrons de charbon et les huiles résultant de la pyrolyse nécessitent généralement un traitement supplémentaire avant de pouvoir être utilisés comme carburants; ils sont traités par hydrotraitement pour éliminer les espèces de soufre et d’azote, après quoi ils sont finalement transformés en combustibles liquides.
En résumé, la viabilité économique de cette technologie est discutable.
Procédés d’hydrogénationmodifier
L’une des principales méthodes de conversion directe du charbon en liquides par procédé d’hydrogénation est le procédé Bergius, développé par Friedrich Bergius en 1913. Dans ce processus, le charbon sec est mélangé à de l’huile lourde recyclée à partir du processus. Un catalyseur est typiquement ajouté au mélange. La réaction se produit entre 400 °C (752 °F) et 500 °C (932 °F) et une pression d’hydrogène de 20 à 70 MPa. La réaction peut être résumée comme suit :
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}}
Après la Première Guerre mondiale, plusieurs usines basées sur cette technologie ont été construites en Allemagne; ces usines ont été largement utilisées pendant la Seconde Guerre mondiale pour approvisionner l’Allemagne en carburant et en lubrifiants. Le procédé Kohleoel, développé en Allemagne par Ruhrkohle et VEBA, a été utilisé dans l’usine de démonstration d’une capacité de 200 tonnes de lignite par jour, construite à Bottrop, en Allemagne. Cette usine a fonctionné de 1981 à 1987. Dans ce processus, le charbon est mélangé à un solvant de recyclage et à un catalyseur de fer. Après préchauffage et pressurisation, du H2 est ajouté. Le procédé se déroule dans un réacteur tubulaire à la pression de 300 bars (30 MPa) et à la température de 470 °C (880 °F). Ce processus a également été exploré par SASOL en Afrique du Sud.
Au cours des années 1970 et 1980, les entreprises japonaises Nippon Kokan, Sumitomo Metal Industries et Mitsubishi Heavy Industries ont développé le procédé NEDOL. Dans ce procédé, le charbon est mélangé à un solvant recyclé et à un catalyseur synthétique à base de fer; après préchauffage, du H2 est ajouté. La réaction a lieu dans un réacteur tubulaire à une température comprise entre 430 °C (810 °F) et 465 °C (870 °F) à la pression 150-200 bar. L’huile produite est de mauvaise qualité et nécessite une mise à niveau intensive. Procédé H-Coal, développé par Hydrocarbon Research, Inc., en 1963, mélange du charbon pulvérisé avec des liquides recyclés, de l’hydrogène et du catalyseur dans le réacteur à lit bouillonnant. Les avantages de ce procédé sont que la dissolution et la valorisation de l’huile ont lieu dans le réacteur unique, que les produits ont un rapport H / C élevé et un temps de réaction rapide, tandis que les principaux inconvénients sont un rendement en gaz élevé (il s’agit essentiellement d’un processus de craquage thermique), une consommation élevée d’hydrogène et une limitation de l’utilisation de l’huile uniquement comme huile de chaudière en raison des impuretés.
Les procédés SRC-I et SRC-II (Charbon raffiné au solvant) ont été développés par Gulf Oil et mis en œuvre en tant qu’usines pilotes aux États-Unis dans les années 1960 et 1970.
La Nuclear Utility Services Corporation a développé un procédé d’hydrogénation qui a été breveté par Wilburn C. Schroeder en 1976. Le processus impliquait du charbon séché et pulvérisé mélangé à des catalyseurs de molybdène d’environ 1% en poids. L’hydrogénation s’est produite par l’utilisation de gaz de synthèse à haute température et à pression produits dans un gazéificateur séparé. Le procédé a finalement donné un produit brut synthétique, le naphta, une quantité limitée de gaz C3/C4, des liquides de poids léger à moyen (C5-C10) pouvant être utilisés comme combustibles, de petites quantités de NH3 et des quantités importantes de CO2. D’autres procédés d’hydrogénation en une seule étape sont le procédé au solvant Donneur Exxon, le procédé à Haute pression Imhausen et le procédé au chlorure de zinc Conoco.
Il existe également un certain nombre de procédés de liquéfaction directe en deux étapes; cependant, après les années 1980, seul le Procédé de liquéfaction catalytique en Deux étapes, modifié à partir du procédé H-Coal; le procédé d’extraction par solvant Liquide par British Coal et le procédé de liquéfaction du lignite au Japon ont été développés.
Shenhua, une société chinoise d’extraction de charbon, a décidé en 2002 de construire une usine de liquéfaction directe à Erdos, en Mongolie intérieure (Erdos CTL), avec une capacité en barils de 20 mille barils par jour (3,2 × 103 m3 / j) de produits liquides, y compris le gazole, le gaz de pétrole liquéfié (GPL) et le naphta (éther de pétrole). Les premiers tests ont été réalisés fin 2008. Une deuxième campagne de test, plus longue, a été lancée en octobre 2009. En 2011, le groupe Shenhua a indiqué que l’usine de liquéfaction directe était en exploitation continue et stable depuis novembre 2010 et que Shenhua avait réalisé 800 millions de yuans (125,1 millions de dollars) de bénéfices avant impôts au cours des six premiers mois de 2011 sur le projet.
Chevron Corporation a développé un procédé inventé par Joel W. Rosenthal appelé Procédé de liquéfaction du charbon Chevron (CCLP). Il est unique en raison du couplage étroit du dissolvant non catalytique et de l’unité d’hydrotraitement catalytique. L’huile produite avait des propriétés uniques par rapport aux autres huiles de charbon; il était plus léger et contenait beaucoup moins d’impuretés hétéroatomiques. Le processus a été mis à l’échelle jusqu’au niveau de 6 tonnes par jour, mais n’a pas fait ses preuves commercialement.
Procédés de conversion indirectemodifier
Les procédés de liquéfaction indirecte du charbon (ICL) fonctionnent en deux étapes. Dans la première étape, le charbon est converti en gaz de synthèse (un mélange purifié de CO et de gaz H2). Dans la deuxième étape, le gaz de synthèse est converti en hydrocarbures légers en utilisant l’un des trois processus principaux: Synthèse de Fischer-Tropsch, synthèse de méthanol avec conversion ultérieure en essence ou en produits pétrochimiques, et méthanation. Fischer-Tropsch est le plus ancien des procédés ICL.
Dans les procédés de synthèse du méthanol, le gaz de synthèse est converti en méthanol, qui est ensuite polymérisé en alcanes sur un catalyseur à zéolite. Ce procédé, sous le surnom de MTG (MTG pour « Méthanol à l’essence »), a été développé par Mobil au début des années 1970 et est testé dans une usine de démonstration par Jincheng Anthracite Mining Group (JAMG) dans le Shanxi, en Chine. Sur la base de cette synthèse de méthanol, la Chine a également développé une forte industrie du charbon aux produits chimiques, avec des produits tels que les oléfines, les MEG, les DME et les aromatiques.
La réaction de méthanation convertit le gaz de synthèse en gaz naturel de substitution (SNG). L’usine de gazéification de Great Plains à Beulah, dans le Dakota du Nord, est une installation de charbon-SNG produisant 160 millions de pieds cubes par jour de SNG et est en service depuis 1984. Plusieurs centrales charbon-SNG sont en exploitation ou en projet en Chine, en Corée du Sud et en Inde.
Dans une autre application de gazéification, l’hydrogène extrait du gaz synthétique réagit avec l’azote pour former de l’ammoniac. L’ammoniac réagit ensuite avec le dioxyde de carbone pour produire de l’urée.
Les exemples ci-dessus de centrales commerciales basées sur des procédés de liquéfaction indirecte du charbon, ainsi que de nombreuses autres non répertoriées ici, y compris celles en phase de planification et en construction, sont répertoriés dans la Base de données mondiale sur la gazéification du Conseil des technologies de gazéification.