La licuefacción del carbón es un proceso de conversión del carbón en hidrocarburos líquidos: combustibles líquidos y petroquímicos . Este proceso se conoce a menudo como "de carbón a X" o "de carbono a X", donde X puede ser muchos productos diferentes basados en hidrocarburos. Sin embargo, la cadena de procesos más común es la de "de carbón a combustibles líquidos" (CTL). [1]
La licuefacción de carbón se desarrolló originalmente a principios del siglo XX. [2] El proceso CTL más conocido es la síntesis Fischer-Tropsch (FT), llamada así por los inventores Franz Fischer y Hans Tropsch del Instituto Kaiser Wilhelm en la década de 1920. [3] La síntesis FT es la base de la tecnología de licuefacción indirecta de carbón (ICL). Friedrich Bergius , también químico alemán, inventó la licuefacción directa de carbón (DCL) como una forma de convertir el lignito en petróleo sintético en 1913.
La licuefacción del carbón fue una parte importante del plan cuatrienal de Adolf Hitler de 1936 y se convirtió en una parte integral de la industria alemana durante la Segunda Guerra Mundial . [4] A mediados de la década de 1930, empresas como IG Farben y Ruhrchemie iniciaron la producción industrial de combustibles sintéticos derivados del carbón. Esto llevó a la construcción de doce plantas DCL que utilizaban hidrogenación y nueve plantas ICL que utilizaban síntesis de Fischer-Tropsch para el final de la Segunda Guerra Mundial. En total, CTL proporcionó el 92% del combustible aéreo de Alemania y más del 50% de su suministro de petróleo en la década de 1940. [2] Las plantas DCL e ICL se complementaron efectivamente entre sí en lugar de competir. La razón de esto es que la hidrogenación del carbón produce gasolina de alta calidad para aviación y motores, mientras que la síntesis FT produjo principalmente diésel de alta calidad, aceite lubricante y ceras junto con algunas cantidades más pequeñas de gasolina de motor de menor calidad. Las plantas de DCL también estaban más desarrolladas, ya que el lignito (el único carbón disponible en muchas partes de Alemania) funcionaba mejor con la hidrogenación que con la síntesis de FT. Después de la guerra, Alemania tuvo que abandonar su producción de combustible sintético, ya que fue prohibida por la conferencia de Potsdam en 1945. [4]
Sudáfrica desarrolló su propia tecnología CTL en la década de 1950. La Corporación Sudafricana de Carbón, Petróleo y Gas ( Sasol ) fue fundada en 1950 como parte del proceso de industrialización que el gobierno sudafricano consideró esencial para el desarrollo económico continuo y la autonomía. [5] Sudáfrica no tenía reservas nacionales de petróleo conocidas en ese momento, y esto hizo que el país fuera muy vulnerable a la interrupción de los suministros provenientes del exterior, aunque por diferentes razones en diferentes momentos. Sasol fue una forma exitosa de proteger la balanza de pagos del país contra la creciente dependencia del petróleo extranjero. Durante años, su principal producto fue el combustible sintético, y este negocio gozó de una importante protección gubernamental en Sudáfrica durante los años del apartheid por su contribución a la seguridad energética nacional . [6] Aunque en general era mucho más caro producir petróleo a partir del carbón que del petróleo natural, la importancia política y económica de lograr la mayor independencia posible en esta esfera fue suficiente para superar cualquier objeción. Los primeros intentos de atraer capital privado, extranjero o nacional, no tuvieron éxito, y solo con el apoyo del estado pudo comenzar la licuefacción del carbón. El CTL siguió desempeñando un papel vital en la economía nacional de Sudáfrica, ya que cubría alrededor del 30% de su demanda interna de combustible. La democratización de Sudáfrica en la década de 1990 hizo que Sasol buscara productos que pudieran resultar más competitivos en el mercado global; a partir del nuevo milenio, la empresa se centró principalmente en su negocio petroquímico, así como en los esfuerzos por convertir el gas natural en petróleo crudo ( GTL ) utilizando su experiencia en la síntesis de Fischer-Tropsch.
Las tecnologías de CTL han mejorado constantemente desde la Segunda Guerra Mundial. El desarrollo técnico ha dado como resultado una variedad de sistemas capaces de manejar una amplia gama de tipos de carbón. Sin embargo, solo se han llevado a cabo unas pocas empresas basadas en la generación de combustibles líquidos a partir del carbón, la mayoría de ellas basadas en la tecnología ICL; la más exitosa ha sido Sasol en Sudáfrica. CTL también recibió un nuevo interés a principios de la década de 2000 como una posible opción de mitigación para reducir la dependencia del petróleo, en un momento en que el aumento de los precios del petróleo y las preocupaciones sobre el pico del petróleo hicieron que los planificadores repensaran las cadenas de suministro existentes para combustibles líquidos.
Las tecnologías de licuefacción específicas generalmente se dividen en dos categorías: procesos de licuefacción directa (DCL) y licuefacción indirecta (ICL). Los procesos directos se basan en enfoques como la carbonización , la pirólisis y la hidrogenación . [7]
Los procesos de licuefacción indirecta generalmente implican la gasificación del carbón a una mezcla de monóxido de carbono e hidrógeno , a menudo conocida como gas de síntesis o simplemente gas de síntesis . Mediante el proceso Fischer-Tropsch, el gas de síntesis se convierte en hidrocarburos líquidos. [8]
Por el contrario, 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 un disolvente donante de hidrógeno , a menudo a altas presiones y temperaturas. [9] Dado que los hidrocarburos líquidos generalmente tienen una relación molar hidrógeno-carbono más alta que los carbones, se deben emplear procesos de hidrogenación o de rechazo de carbono en las tecnologías ICL y DCL.
A escala industrial (es decir, miles de barriles por día), una planta de licuefacción de carbón normalmente requiere inversiones de capital multimillonarias. [10]
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 Karrick . En este proceso de carbonización a baja temperatura , el carbón se calienta a una temperatura de entre 360 °C (680 °F) y 750 °C (1380 °F) 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 subproductos y el producto principal es semicoque, un combustible sólido y sin humo. [2]
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 se transfiere mediante gases calientes producidos por la combustión de parte del carbón producido. Una modificación de este proceso, el proceso COGAS, implica la adición de gasificación del carbón. [11] El proceso TOSCOAL, un análogo del proceso de retorta de esquisto bituminoso TOSCO II y del proceso Lurgi–Ruhrgas , que también se utiliza para la extracción de petróleo de esquisto , utiliza sólidos reciclados calientes para la transferencia de calor. [11]
Los rendimientos líquidos de la pirólisis y del proceso Karrick generalmente se consideran demasiado bajos para su uso práctico en la producción de combustible líquido sintético. [12] Los alquitranes y aceites de hulla resultantes de la pirólisis generalmente requieren un tratamiento adicional antes de que puedan usarse como combustibles para motores; se procesan mediante hidrotratamiento para eliminar las especies de azufre y nitrógeno , después de lo cual finalmente se procesan para convertirlos en combustibles líquidos. [11]
En resumen, la viabilidad económica de esta tecnología es cuestionable. [10]
Uno de los principales métodos de conversión directa de carbón a líquidos mediante el proceso de hidrogenación es el proceso Bergius , desarrollado por Friedrich Bergius en 1913. En este proceso, el carbón seco se mezcla con petróleo pesado reciclado del proceso. Normalmente se añade un catalizador a la mezcla. La reacción se produce entre 400 °C (752 °F) y 500 °C (932 °F) y entre 20 y 70 MPa de presión de hidrógeno . La reacción se puede resumir de la siguiente manera: [7]
Después de la Primera Guerra Mundial, se construyeron en Alemania varias plantas basadas en esta tecnología; estas plantas se utilizaron ampliamente durante la Segunda Guerra Mundial para abastecer a Alemania de combustible y lubricantes. [13] El proceso Kohleoel, desarrollado en Alemania por Ruhrkohle y VEBA , se utilizó en la planta de demostración con 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 H 2. 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). [14] Este proceso también fue explorado por SASOL en Sudáfrica.
Durante los años 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 añade H 2 . 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 petróleo producido es de baja calidad y requiere una mejora intensiva. [14] El proceso H-Coal, 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 el alto rendimiento de gas (este es básicamente un proceso de craqueo térmico), el alto consumo de hidrógeno y la limitación del uso del aceite solo como aceite de caldera debido a las impurezas. [11]
Los procesos SRC-I y SRC-II (carbón refinado con solventes) fueron desarrollados por Gulf Oil e implementados como plantas piloto en los Estados Unidos en las décadas de 1960 y 1970. [14]
La Nuclear Utility Services Corporation desarrolló un proceso de hidrogenación que fue patentado por Wilburn C. Schroeder en 1976. El proceso implicaba carbón seco y pulverizado mezclado con aproximadamente un 1% en peso de catalizadores de molibdeno . [7] La hidrogenación se produjo mediante el uso de gas de síntesis a alta temperatura y presión producido en un gasificador separado. El proceso finalmente produjo un producto crudo sintético, nafta , una cantidad limitada de gas C3 / C4 , líquidos de peso ligero a medio (C5 - C10 ) adecuados para su uso como combustibles, pequeñas cantidades de NH3 y cantidades significativas de CO2 . [ 15] Otros procesos de hidrogenación de una sola etapa son el proceso de disolvente donante de Exxon, el proceso de alta presión de Imhausen y el proceso de cloruro de zinc de Conoco. [14]
También existen varios procesos de licuefacción directa de dos etapas; sin embargo, después de la década de 1980 solo se han desarrollado el proceso de licuefacción catalítica de dos etapas, modificado a partir del proceso de carbón H; el proceso de extracción con solvente líquido de British Coal ; y el proceso de licuefacción de lignito pardo de Japón. [14]
Shenhua , una empresa minera de carbón china, decidió en 2002 construir una planta de licuefacción directa en Erdos, Mongolia Interior ( Erdos CTL ), con capacidad de 20 mil barriles por día (3,2 × 10 3 m 3 /d) de productos líquidos, incluyendo gasóleo, gas licuado de petróleo (GLP) y nafta (éter de petróleo). Las primeras pruebas se implementaron a fines de 2008. Una segunda campaña de pruebas más larga se inició en octubre de 2009. En 2011, Shenhua Group 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. [16]
Chevron Corporation desarrolló un proceso inventado por Joel W. Rosenthal llamado Proceso de Licuefacción de Carbón de Chevron (CCLP). [17] Es único debido al acoplamiento estrecho del disolvente no catalítico y la unidad de hidroprocesamiento catalítico . El petróleo producido tenía propiedades que eran únicas en comparación con otros petróleos 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 probó comercialmente.
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 CO y gas H2 ) . En la segunda etapa, el gas de síntesis se convierte en hidrocarburos ligeros mediante uno de los tres procesos principales: síntesis de Fischer-Tropsch, síntesis de metanol con posterior conversión a gasolina o petroquímicos y metanización . Fischer-Tropsch es el más antiguo de los procesos de 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, conocido como MTG (MTG por "Methanol To Gasoline"), fue desarrollado por Mobil a principios de los años 70 y se está probando en una planta de demostración de Jincheng Anthracite Mining Group (JAMG) en Shanxi, China. Basándose en esta síntesis de metanol, China también ha desarrollado una sólida industria de conversión de carbón en productos químicos, con productos como olefinas , MEG , DME y aromáticos .
La reacción de metanización convierte el gas de síntesis en gas natural sustituto (GNS). La planta de gasificación Great Plains en Beulah, Dakota del Norte, es una instalación de conversión de carbón en GNS que produce 160 millones de pies cúbicos por día de GNS y está en funcionamiento desde 1984. [18] Hay varias plantas de conversión de carbón en GNS en funcionamiento o en proyecto en China, Corea del Sur e India.
En otra aplicación de la gasificación, el hidrógeno extraído del gas sintético reacciona con el nitrógeno para formar amoníaco . El amoníaco luego reacciona con el dióxido de carbono para producir urea . [19]
Los ejemplos anteriores de plantas comerciales basadas en procesos de licuefacción indirecta de carbón, así como muchos otros que no se enumeran aquí, incluidos los que se encuentran en etapas de planificación y en construcción, están tabulados en la Base de Datos Mundial de Gasificación del Consejo de Tecnologías de Gasificación. [20]
Por lo general, los procesos de licuefacción de carbón están asociados con importantes emisiones de CO2 provenientes del proceso de gasificación o de la generación de calor y electricidad necesarios para el proceso en los reactores de licuefacción [10] , lo que libera gases de efecto invernadero que pueden contribuir al calentamiento global antropogénico . Esto es especialmente cierto si la licuefacción de carbón se lleva a cabo sin ninguna tecnología de captura y almacenamiento de carbono [21] . Existen configuraciones de plantas CTL de bajas emisiones técnicamente viables [22] .
Otro efecto ambiental adverso es el alto consumo de agua en la reacción de conversión de agua a gas o en la reforma de metano con vapor . [10]
El control de las emisiones de CO2 en Erdos CTL , una planta de Mongolia Interior con un proyecto de demostración de captura y almacenamiento de carbono , implica la inyección de CO2 en el acuífero salino de la cuenca de Erdos, a un ritmo de 100.000 toneladas por año. [23] [ se necesita una fuente de terceros ] A fines de octubre de 2013, se había inyectado una cantidad acumulada de 154.000 toneladas de CO2 desde 2010, que alcanzó o superó el valor de diseño. [24] [ se necesita una fuente de terceros ]
En los Estados Unidos, la Norma de Combustibles Renovables y la norma de combustibles con bajo contenido de carbono , como la promulgada en el estado de California, reflejan una creciente demanda de combustibles con una huella de carbono baja . Además, la legislación de los Estados Unidos ha restringido el uso de combustibles líquidos alternativos por parte de las fuerzas armadas únicamente a aquellos que hayan demostrado tener emisiones de GEI durante su ciclo de vida menores o iguales a las de su equivalente convencional basado en petróleo, como lo exige la Sección 526 de la Ley de Independencia y Seguridad Energética (EISA) de 2007. [25]
El ejército de los Estados Unidos tiene un programa activo para promover el uso de combustibles alternativos [26], y utilizar las vastas reservas de carbón de Estados Unidos para producir combustibles mediante la licuefacción del carbón tendría obvias ventajas económicas y de seguridad. Pero, con su mayor huella de carbono, los combustibles derivados de la licuefacción del carbón enfrentan el importante desafío de reducir las emisiones de GEI durante el ciclo de vida a niveles competitivos, lo que exige una investigación y desarrollo continuos de la tecnología de licuefacción para aumentar la eficiencia y reducir las emisiones. Será necesario seguir una serie de vías de investigación y desarrollo, entre ellas:
Desde 2014, el Departamento de Energía de los EE. UU. y el Departamento de Defensa han estado colaborando para apoyar nuevas investigaciones y desarrollos en el área de licuefacción de carbón para producir combustibles líquidos de especificaciones militares, con énfasis en el combustible para aviones, que serían rentables y de conformidad con la Sección 526 de la EISA. [27] Los proyectos en curso en esta área se describen en el área de I+D de síntesis de combustibles avanzados del Laboratorio Nacional de Tecnología Energética del Departamento de Energía de los EE. UU. en el Programa de carbón y carbón-biomasa a líquidos.
Cada año, un investigador o desarrollador en conversión de carbón es premiado por la industria al recibir el premio World Carbon To X. El ganador del premio de 2016 es el Sr. Jona Pillay, director ejecutivo de Gasificación y CTL, Jindal Steel & Power Ltd (India). El ganador del premio de 2017 es el Dr. Yao Min, subdirector general de Shenhua Ningxia Coal Group (China). [28]
En términos de desarrollo comercial, la conversión de carbón está experimentando una fuerte aceleración. [29] Geográficamente, la mayoría de los proyectos activos y las operaciones recientemente puestas en marcha se encuentran en Asia, principalmente en China, mientras que los proyectos estadounidenses se han retrasado o cancelado debido al desarrollo del gas de esquisto y el petróleo de esquisto.
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