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 "Carbón a X" o "Carbono a X", donde X puede ser muchos productos diferentes a base de hidrocarburos. Sin embargo, la cadena de proceso más común es la 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 de Fischer-Tropsch (FT), que lleva el nombre de 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 del carbón (DCL) como una forma de convertir el lignito en aceite 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 utilizan hidrogenación y nueve plantas ICL que utilizan síntesis de Fischer-Tropsch al 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 efectivamente se complementaron entre sí en lugar de competir. La razón de esto es que la hidrogenación del carbón produce gasolina de alta calidad para la aviación y los motores, mientras que la síntesis FT produce principalmente diésel, aceite lubricante y ceras de alta calidad, junto con algunas cantidades más pequeñas de gasolina para motores de menor calidad. Las plantas 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 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 consideraba esencial para el desarrollo económico y la autonomía continuos. [5] Sudáfrica no tenía reservas nacionales de petróleo conocidas en ese momento, y esto hizo que el país fuera muy vulnerable a la interrupción del suministro proveniente 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 disfrutó 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 de carbón que a partir de petróleo natural, la importancia política y económica de lograr la mayor independencia posible en este ámbito fue suficiente para superar cualquier objeción. Los primeros intentos de atraer capital privado, extranjero o nacional, fracasaron, y sólo con el apoyo del Estado pudo comenzar la licuefacción del carbón. CTL siguió desempeñando un papel vital en la economía nacional de Sudáfrica, cubriendo 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 para convertir el gas natural en petróleo crudo ( GTL ) utilizando su experiencia en la síntesis Fischer-Tropsch.
Las tecnologías 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, sólo se han llevado a cabo unos pocos emprendimientos basados en la generación de combustibles líquidos a partir de carbón, la mayoría de ellos basados en tecnología ICL; el más exitoso 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 de 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 hasta obtener una mezcla de monóxido de carbono e hidrógeno , a menudo conocida como gas de síntesis o simplemente gas de síntesis . Mediante el proceso de Fischer-Tropsch, el gas de síntesis se convierte en hidrocarburos líquidos. [8]
Por el contrario, los procesos de licuación directa convierten el carbón en líquido directamente sin tener que depender de pasos intermedios al descomponer la estructura orgánica del carbón con la aplicación de un solvente donador 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 tanto en las tecnologías ICL como en DCL.
A escalas industriales (es decir, miles de barriles/día), una planta de licuefacción de carbón normalmente requiere inversiones de capital multimillonarias. [10]
Existen varios procesos de carbonización. La conversión de carbonización normalmente ocurre mediante pirólisis o destilación destructiva . Produce alquitrán de hulla condensable, petróleo 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 entre 680 °F (360 °C) y 1380 °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 mayor parte un subproducto y el producto principal es el 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 un aumento de 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 de carbón. [11] El proceso TOSCOAL, análogo al proceso de autoclave de esquisto bituminoso TOSCO II y al 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 de Karrick generalmente se consideran demasiado bajos para su uso práctico en la producción de combustible líquido sintético. [12] Los alquitranes de hulla y los aceites resultantes de la pirólisis generalmente requieren un tratamiento adicional antes de que puedan utilizarse como combustibles para motores; se procesan mediante hidrotratamiento para eliminar especies de azufre y nitrógeno , después de lo cual finalmente se procesan para obtener 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 líquido mediante el proceso de hidrogenación es el proceso Bergius , desarrollado por Friedrich Bergius en 1913. En este proceso, el carbón seco se mezcla con el petróleo pesado reciclado del proceso. Normalmente se añade un catalizador a la mezcla. La reacción ocurre entre 400 °C (752 °F) y 500 °C (932 °F) y una presión de hidrógeno de 20 a 70 MPa . 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 suministrar combustible y lubricantes a Alemania. [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 operó de 1981 a 1987. En este proceso, el carbón se mezcla con un solvente reciclado y un catalizador de hierro. Después de precalentar y presurizar, se añade H2 . El proceso tiene lugar 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 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 añade H2 . La reacción tiene lugar en un reactor tubular a una temperatura entre 430 °C (810 °F) y 465 °C (870 °F) a una 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 en ebullición . 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), alto consumo de hidrógeno y limitación del uso de petróleo únicamente como combustible para calderas debido a las impurezas. [11]
Los procesos SRC-I y SRC-II (carbón refinado con solvente) 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 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 C 3 /C 4 , líquidos de peso ligero a medio (C 5 -C 10 ) adecuados para su uso como combustibles, pequeñas cantidades de NH 3 y cantidades significativas de CO. 2 . [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 sólo se utilizó el Proceso Catalítico de Licuefacción en Dos Etapas, modificado del Proceso H-Coal; el proceso de extracción por disolventes líquidos de British Coal ; y se ha desarrollado el Proceso de Licuefacción de Lignito 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 una capacidad de 20.000 barriles por día (3,2 × 10 3 m 3 /d) de productos líquidos, entre ellos gasóleo, gas licuado de petróleo (GLP) y nafta (éter de petróleo). Las primeras pruebas se implementaron a finales de 2008. En octubre de 2009 se inició una segunda campaña de pruebas más larga. 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 fabricado 800 millones de yuanes (125,1 millones de dólares) en ganancias antes de impuestos en los primeros seis meses de 2011 en el proyecto. [dieciséis]
Chevron Corporation desarrolló un proceso inventado por Joel W. Rosenthal llamado Proceso de Licuefacción de Carbón Chevron (CCLP). [17] Es único debido al estrecho acoplamiento del disolvente no catalítico y la unidad de hidroprocesamiento catalítico . El petróleo 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 probó comercialmente.
Los procesos de licuefacción indirecta de carbón (ICL) operan en dos etapas. En la primera etapa, el carbón se convierte en gas de síntesis (una mezcla purificada de CO y H2 gaseoso ). En la segunda etapa, el gas de síntesis se convierte en hidrocarburos ligeros mediante uno de 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 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 por "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 Anthracite 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 Great Plains en Beulah, Dakota del Norte, es una instalación de carbón a GNS que produce 160 millones de pies cúbicos por día de GNS y ha estado en operación desde 1984. [18] Varias plantas de carbón a GNS están en operación 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 . Luego, el amoníaco reacciona con el dióxido de carbono para producir urea . [19]
Los ejemplos anteriores de plantas comerciales basadas en procesos indirectos de licuefacción de carbón, así como muchos otros no enumerados aquí, incluidos aquellos en etapas de planificación y en construcción, están tabulados en la Base de datos mundial de gasificación del Gasification Technologies Council. [20]
Normalmente, los procesos de licuefacción del carbón están asociados con importantes emisiones de CO 2 provenientes del proceso de gasificación o también de la generación del calor y la electricidad necesarios para el proceso en los reactores de licuefacción, [10] liberando así gases de efecto invernadero que pueden contribuir al calentamiento global antropogénico . Esto es especialmente cierto si la licuefacción del carbón se lleva a cabo sin ninguna tecnología de captura y almacenamiento de carbono . [21] Existen configuraciones técnicamente viables de plantas CTL de bajas emisiones. [22]
Otro efecto ambiental adverso es el alto consumo de agua en la reacción de cambio agua-gas o en el reformado de metano con vapor . [10]
El control de emisiones de CO 2 en Erdos CTL , una planta de Mongolia Interior con un proyecto de demostración de captura y almacenamiento de carbono , implica inyectar CO 2 en el acuífero salino de la cuenca de Erdos, a un ritmo de 100.000 toneladas por año. [23] [ se necesita fuente de terceros ] A finales de octubre de 2013, se había inyectado una cantidad acumulada de 154.000 toneladas de CO 2 desde 2010, que alcanzó o superó el valor de diseño. [24] [ se necesita fuente de terceros ]
En los Estados Unidos, el Estándar de Combustibles Renovables y el estándar de combustibles bajos en carbono , como el promulgado en el Estado de California, reflejan una demanda creciente de combustibles con baja huella de carbono . Además, la legislación en los Estados Unidos ha restringido el uso militar de combustibles líquidos alternativos solo a aquellos que demuestren tener emisiones de GEI durante su ciclo de vida menores o iguales a las de su equivalente convencional a base de petróleo, como lo exige la Sección 526 de la Ley de Independencia Energética. y Ley de Seguridad (EISA) de 2007. [25]
El ejército de los Estados Unidos tiene un programa activo para promover el uso de combustibles alternativos, [26] y utilizar vastas reservas internas de carbón de los Estados Unidos para producir combustibles mediante licuefacción del carbón tendría ventajas económicas y de seguridad obvias. Pero con su mayor huella de carbono, los combustibles provenientes de la licuefacción del carbón enfrentan el importante desafío de reducir las emisiones de GEI durante su ciclo de vida a niveles competitivos, lo que exige investigación y desarrollo continuos de 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 EE. UU. y el Departamento de Defensa han estado colaborando para apoyar nuevas investigaciones y desarrollos en el área de la licuefacción del carbón para producir combustibles líquidos con especificaciones militares, con énfasis en el combustible para aviones, que sería rentable y de conformidad con la Sección 526 de 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 EE. UU. en el Programa de Carbón y Biomasa de Carbón a Líquidos.
Cada año, un investigador o desarrollador en conversión de carbón es recompensado por la industria con el premio World Carbon To X. El ganador del premio de 2016 es Jona Pillay, director ejecutivo de Gasificación y CTL, Jindal Steel & Power Ltd (India). El ganador del premio 2017 es el Dr. Yao Min, director general adjunto de Shenhua Ningxia Coal Group (China). [28]
En términos de desarrollo comercial, la conversión del carbón está experimentando una fuerte aceleración. [29] Geográficamente, la mayoría de los proyectos activos y las operaciones puestas en marcha recientemente se encuentran en Asia, principalmente en China, mientras que los proyectos estadounidenses se han retrasado o cancelado debido al desarrollo de gas y petróleo de esquisto.
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