specifieke liquefactietechnologieën vallen over het algemeen in twee categorieën: directe (DCL) en indirecte liquefactie (ICL) processen. Directe processen zijn gebaseerd op benaderingen zoals carbonisatie, pyrolyse en hydrogenering.
indirecte liquefactieprocessen omvatten over het algemeen vergassing van steenkool tot een mengsel van koolmonoxide en waterstof, vaak bekend als synthesegas of gewoon syngas. Met behulp van het Fischer-Tropsch-proces wordt syngas omgezet in vloeibare koolwaterstoffen.
daarentegen zetten directe liquefactieprocessen steenkool rechtstreeks om in vloeistoffen, zonder dat daarvoor tussenstappen nodig zijn, door de organische structuur van steenkool af te breken met toepassing van waterstofdonoroplosmiddel, vaak bij hoge drukken en temperaturen. Aangezien vloeibare koolwaterstoffen over het algemeen een hogere waterstof-koolstof molaire verhouding hebben dan kolen, moeten zowel hydrogenering als koolstofafstotingsprocessen worden toegepast in zowel ICL-als DCL-technologieën.
op industriële schaal (d.w.z. duizenden vaten / dag) vereist een kolenliquefactie-installatie doorgaans miljardeninvesteringen.
pyrolyse-en carbonisatieproces
er bestaan een aantal carbonisatieprocessen. De carbonisatieomzetting vindt meestal plaats door pyrolyse of destructieve destillatie. Het produceert condenseerbare koolteer, olie en waterdamp, niet-condenseerbaar synthetisch gas en een vast residu – char.
een typisch voorbeeld van carbonisatie is het Karrick-proces. In dit carbonisatieproces bij lage temperatuur, wordt de steenkool bij 360 °C aan 1,380 °F (750 °C) in afwezigheid van lucht verwarmd. Deze temperaturen optimaliseren de productie van koolteer die rijker is aan lichtere koolwaterstoffen dan normale koolteer. De geproduceerde vloeistoffen zijn echter meestal een bijproduct en het belangrijkste product is halfcokes – een vaste en rookloze brandstof.
het COED-proces, ontwikkeld door FMC Corporation, maakt gebruik van een wervelbed voor verwerking, in combinatie met stijgende temperatuur, door vier stadia van pyrolyse. Warmte wordt overgedragen door hete gassen geproduceerd door de verbranding van een deel van de geproduceerde char. Een wijziging van dit proces, het Cogasproces, omvat de toevoeging van vergassing van char. Bij het TOSKAL–proces, dat analoog is aan het Tosco II-proces voor het retourneren van olieschalie en het Lurgi-Ruhrgas-proces, dat ook wordt gebruikt voor de winning van schalieolie, worden hete gerecycleerde vaste stoffen gebruikt voor de warmteoverdracht.
het Vloeistofrendement van pyrolyse en het Karrick-proces worden over het algemeen als te laag beschouwd voor praktisch gebruik voor de productie van synthetische vloeibare brandstof. De resulterende steenkoolteer en olie uit pyrolyse MOETEN in het algemeen verder worden behandeld voordat zij als motorbrandstof kunnen worden gebruikt; zij worden door waterstofbehandeling verwerkt om zwavel-en stikstofsoorten te verwijderen, waarna zij uiteindelijk worden verwerkt tot vloeibare brandstoffen.
samengevat is de economische levensvatbaarheid van deze technologie twijfelachtig.
Hydrogeneringsprocesedit
een van de belangrijkste methoden voor de directe omzetting van steenkool in vloeistoffen door hydrogenering is het Bergius-proces, ontwikkeld door Friedrich Bergius in 1913. In dit proces wordt droge steenkool gemengd met zware olie die uit het proces wordt gerecycleerd. Een katalysator wordt meestal toegevoegd aan het mengsel. De reactie komt bij tussen 400 °C (752 °F) aan 500 °C (932 °F) en 20 tot 70 MPa waterstofdruk voor. De reactie kan als volgt worden samengevat:
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}}
na de Eerste Wereldoorlog werden in Duitsland verschillende installaties op basis van deze technologie gebouwd.; deze fabrieken werden tijdens de Tweede Wereldoorlog veelvuldig gebruikt om Duitsland te voorzien van brandstof en smeermiddelen. Het Kohleoel-proces, dat in Duitsland door Ruhrkohle en VEBA werd ontwikkeld, werd gebruikt in de demonstratiefabriek met een capaciteit van 200 ton bruinkool per dag, gebouwd in Bottrop, Duitsland. Deze fabriek werkte van 1981 tot 1987. In dit proces wordt steenkool gemengd met een recycleermiddel en een ijzerkatalysator. Na het voorverwarmen en onder druk zetten wordt H2 toegevoegd. Het proces vindt plaats in een buisreactor bij een druk van 300 bar (30 MPa) en een temperatuur van 470 °C (880 °F). Dit proces werd ook onderzocht door SASOL in Zuid-Afrika.In de jaren zeventig en tachtig ontwikkelden de Japanse bedrijven Nippon Kokan, Sumitomo Metal Industries en Mitsubishi Heavy Industries het nedol-proces. In dit proces wordt steenkool gemengd met een gerecycleerd oplosmiddel en een synthetische katalysator op ijzerbasis; na voorverwarming wordt H2 toegevoegd. De reactie vindt plaats in een buisreactor bij een temperatuur tussen 430 °C en 465 °C bij een druk van 150-200 bar. De geproduceerde olie heeft een lage kwaliteit en vereist intensieve upgrading. H-Coal process, ontwikkeld door Hydrocarbon Research, Inc., in 1963, mengt verpulverde kolen met gerecycleerde vloeistoffen, waterstof en katalysator in de ebullated bed reactor. Voordelen van dit proces zijn dat ontbinding en olie-upgrading plaatsvinden in de enkele reactor, producten hebben een hoge H/C-Verhouding en een snelle reactietijd, terwijl de belangrijkste nadelen zijn hoge gasopbrengst (dit is in principe een thermisch kraakproces), hoog waterstofverbruik en beperking van oliegebruik alleen als ketelolie vanwege onzuiverheden.De processen SRC-I en SRC-II (Solvent Refined Coal) werden ontwikkeld door Gulf Oil en in de jaren zestig en zeventig in de Verenigde Staten als proefinstallaties uitgevoerd. De Nuclear Utility Services Corporation ontwikkelde een hydrogenatieproces dat in 1976 werd geoctrooieerd door Wilburn C. Schroeder. Het proces omvatte gedroogde, verpulverde steenkool gemengd met ongeveer 1wt % molybdeen katalysatoren. Hydrogenering vond plaats door gebruik van synthesegas met hoge temperatuur en druk, geproduceerd in een aparte vergasser. Het proces leverde uiteindelijk een synthetisch ruw product op, namelijk NAFTA, een beperkte hoeveelheid C3/C4-gas, lichte vloeistoffen (C5-C10) die geschikt zijn voor gebruik als brandstof, kleine hoeveelheden NH3 en significante hoeveelheden CO2. Andere eentraps hydrogenering processen zijn het Exxon Donor oplosmiddel proces, het Imhausen hogedruk proces, en het Conoco zinkchloride proces.
er zijn ook een aantal directe vloeibaarmaking in twee fasen; na de jaren tachtig echter alleen het katalytische vloeibaarmaking in twee fasen, gewijzigd door het H-Kolenproces; het proces voor de winning van vloeibare oplosmiddelen door British Coal en het proces voor de vloeibaarmaking van bruinkool in Japan zijn ontwikkeld.Shenhua, een Chinees mijnbouwbedrijf, besloot in 2002 een directe vloeibaarmakingsinstallatie te bouwen in Erdos, binnen-Mongolië (Erdos CTL), met een vatinhoud van 20.000 vaten per dag (3,2×103 m3/d) vloeibare producten, waaronder dieselolie, vloeibaar petroleumgas (LPG) en NAFTA (petroleumether). De eerste tests werden eind 2008 uitgevoerd. Een tweede en langere testcampagne werd gestart in oktober 2009. In 2011 meldde Shenhua Group dat de directe liquefactie-installatie sinds November 2010 continu en stabiel in bedrijf was en dat Shenhua in de eerste zes maanden van 2011 800 miljoen yuan ($125,1 miljoen) winst voor belastingen had verdiend.Chevron Corporation ontwikkelde een proces, uitgevonden door Joel W. Rosenthal, genaamd het Chevron Coal Liquefaction Process (Cclp). Het is uniek door de nauwe koppeling van de niet-katalytische dissolver en de katalytische hydroprocessing unit. De geproduceerde olie had eigenschappen die uniek waren in vergelijking met andere steenkoololiën; het was lichter en had veel minder heteroatoom onzuiverheden. Het proces werd opgeschaald-tot het niveau van 6 ton per dag, maar commercieel niet bewezen.
indirecte omzettingsprocesedit
indirecte processen voor het vloeibaar maken van steenkool (ICL) verlopen in twee fasen. In de eerste fase wordt steenkool omgezet in syngas (een gezuiverd mengsel van CO-en H2-gas). In de tweede fase wordt het syngas omgezet in lichte koolwaterstoffen met behulp van een van de drie hoofdprocessen: Fischer-Tropsch synthese, methanolsynthese met daaropvolgende omzetting in benzine of petrochemicaliën, en methanatie. Fischer-Tropsch is het oudste ICL-proces.
in methanolsyntheseprocessen wordt syngas omgezet in methanol, dat vervolgens via een zeolietkatalysator tot alkanen wordt gepolymeriseerd. Dit proces, onder de naam MTG (MTG voor “Methanol naar benzine”), werd ontwikkeld door Mobil in de vroege jaren 1970, en wordt getest in een demonstratiefabriek door Jincheng Anthracite Mining Group (JAMG) in Shanxi, China. Op basis van deze methanolsynthese heeft China ook een sterke kolen-chemische industrie ontwikkeld, met outputs zoals olefinen, MEG, DME en aromaten.
Methanatiereactie zet syngas om in aardgas (SNG). De Great Plains Vergassingsinstallatie in Beulah, North Dakota is een kolen-naar-SNG-installatie die 160 miljoen kubieke voet per dag SNG produceert, en is sinds 1984 in bedrijf. Verschillende kolen-naar-SNG-fabrieken zijn in bedrijf of in project in China, Zuid-Korea en India.
bij een andere toepassing van vergassing reageert waterstof uit synthetisch gas met stikstof tot ammoniak. Ammoniak reageert vervolgens met kooldioxide om ureum te produceren.
de bovengenoemde gevallen van commerciële installaties die zijn gebaseerd op indirecte processen voor het vloeibaar maken van steenkool, evenals vele andere die hier niet zijn vermeld, met inbegrip van die in planningsfasen en in aanbouw, zijn opgenomen in de World Gasification Database van de Gasification Technologies Council.