China Chemical Industry News: Kohlechemie gewinnt erneut an Anschlussfähigkeit

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China Chemical Industry News: Kohlechemie gewinnt durch interdisziplinäre Ansätze weitere Stärke. Autor/Quelle: Datum: 2016-08-08. Klickzahlen: 6. Vier Jahre harter Arbeit haben schließlich Früchte getragen. Vom 26. bis 27. Juli wurden in Xi’an vier neue Technologien, die vom Forschungszentrum für effiziente Nutzung von Kohlenwasserstoffen der Yanchang Petroleum Group entwickelt wurden, von der Vereinigung der Öl- und Chemieindustrie der Provinz Shaanxi geprüft. Dabei handelt es sich um die Pressthermolyse von pulverisiertem Kohle in einem Fluidbett, die gemeinsame Thermolyse von Biomasse und Kohle, die direkte Umwandlung von Methan in Aromaten unter gleichzeitiger Erzeugung von Wasserstoff sowie hochwirksame Katalysatoren für die Hydrokracking-Prozesse in Suspensionsbetten. Die Experten waren der Ansicht, dass diese Technologien auf internationaler oder nationaler Ebene führend sind. Welche Highlights haben diese Technologien eigentlich? Welche Bedeutung hat die grenzüberschreitende Integration in der Kohlechemieindustrie? Kann man die technischen Hindernisse bei der integrierten Entwicklung der Kohlechemie mit anderen Industrien überwinden? Ein Reporter von China Chemical Industry News führte ein Interview. Schnelle Pyrolyse von Braunkohle: Kostengünstige, umweltfreundliche Energieerzeugung. Li Dapeng, führender Experte für Kohlenchemie und Leiter des Carbon Hydrogen Centers, sagte, dass die Technologie der schnellen Pyrolyse von Braunkohle unter Druck in einem Fluidisierbett dazu dient, aus Braunkohle unter hydrogener und druckbedingter Behandlung Kohlenöltau zu gewinnen. Da die Pyrolysezeit bei dieser Technologie sehr kurz ist, werden sekundäre Reaktionen der primären Pyrolyseprodukte stark reduziert, um die Flüssigkeitsausbeute maximal zu erhöhen. Laut Angaben ist einer der Innovationen dieser Technologie der Fluidisierbett-Reaktor mit gasfestem Wärträger zur Pyrolyse. Durch die Pyrolyse unter Druck in einer Wasserstoffatmosphäre wird eine hohe Tarernte gewährleistet, gleichzeitig erhöht sich die Betriebsbelastung des Systems. Dies erleichtert die Trennung und Rückgewinnung der nachfolgenden Produkte und steigert somit die Gesamteffizienz der Anlage. Gleichzeitig wurde eine effiziente Technologie und Ausrüstung zur Trennung von Pyrolyseölgasen von Koksstaub entwickelt, wodurch der Staubgehalt im Kohlekolbenöl reduziert wird und die Anforderungen der nachgelagerten Verarbeitungsprozesse erfüllt werden. Die im Carbonhydrogen-Zentrum von Yanchang Petroleum eingerichteten Testanlagen (1,0 MPa, 10 Kilogramm/Stunde) wurden genutzt, um insgesamt 20 Kaltfüllversuche in 4 verschiedenen Phasen, 26 Kaltformversuche sowie 134 Heißfüllversuche durchzuführen. Dadurch konnten umfassende Grunddaten und Muster bezüglich des Pyrolyseprozesses ermittelt werden. Die Ergebnisse zeigten, dass die Ausbeute an Kohleöl über dem derzeitigen Branchenstandard von 6–8 % liegt. Unter optimierten Prozessbedingungen kann die Ausbeute an Kohlebenzin bis zu 18,27 % betragen, im Durchschnitt liegt sie bei 15,14 % – das ist der höchste Wert bisher. Auf dieser Grundlage hat das Carbon Hydrogen Center von Yanchang Petroleum ein industrielles Demonstrationsgerät für die integrierte Technologie zur Gewinnung von Kohleöl und Synthesegas aus Kohle in einer Kapazität von 36 Tonnen pro Tag entwickelt (CCSI). Dabei werden die Prozesse der Pyrolyse von pulverierter Kohle sowie die Gaserzeugung aus Halbkohle in einem einzigen Reaktor miteinander verbunden und optimal integriert. Die Produkte sind Kohleöl, Synthesegas sowie deren weiterverarbeitete Produkte – somit wird eine „Ölgewinnung an beiden Enden“ erreicht. Bislang wurden 3 Fahrversuche durchgeführt, wobei eine Ausbeute an Kohlebenzin über 15 % erzielt wurde. Wenn jährlich 100 Millionen Tonnen Braunkohle verarbeitet werden, entstehen 15 Millionen Tonnen hochwertiger Kohleteer – das entspricht dem Ausmaß eines Ölfeldes mit einer Produktionskapazität von zehn Millionen Tonnen pro Jahr. Wenn Synthesegas zu feinchem Chemikalienprodukt verarbeitet wird, ist der Mehrwert noch höher. “Die Bedeutung dieser Technologie geht noch weit über das hinaus: Das grobe Synthesegas, das durch CCSI (mit Luft als Vergaser) erzeugt wird, kann außerdem zur Stromerzeugung verwendet werden. Es kann somit mit grünen Erzeugungstechnologien kombiniert werden, wodurch ein neues Modell der integrierten Produktion von Strom, Öl und anderen Produkten aus Kohle entsteht – bei dem die saubere und effiziente Umwandlung von Kohle, die weiterverarbeitete Kohlebitte sowie die grüne Stromerzeugung miteinander verbunden sind. ”Li Dapeng sagte den Reportern, dass Kohlekraftwerke in unserem Land für mehr als 70 Prozent der Gesamtkapazität verantwortlich sind. Nach Berechnungen würden die Umbaukosten für die Kohlefeuerungen in den bestehenden Kraftwerken durch den Einsatz der CCSI-Technologie sowie der subkritischen Gaskraftwerkstechnologie im Bereich von 300 MW etwa 50 Millionen Yuan betragen. Die Gesamteffizienz bei der Energieerzeugung würde dabei auf 42,99 Prozent steigen. Der Kohverbrauch pro erzeugtem kWh würde auf 293,16 gec/kWh sinken. Zudem würden die Schadstoffe in den Abgasen erheblich reduziert. Wenn bei der Errichtung eines neuen CCSI-Geräts ein Gasturbinen-Generator mit einer Leistung von 350 MW eingesetzt wird, beträgt die Investitionskosten etwa 6000–7000 Yuan/kWh. Die Gesamteffizienz liegt bei 46,85 %, während der Kohverbrauch pro erzeugter Kilowattstunde auf 264,62 gec/kWh sinkt. Die dabei entstehenden Abgase entsprechen somit den sehr niedrigen Emissionsstandards der Gasturbinen. Durch die niedrigen Kosten für das aus CCSI erzeugte Synthegas – die nur etwa 0,74 Yuan/Nm3 entsprechen, was dem Preis von Erdgas entspricht – steigen die Wettbewerbsfähigkeit und die wirtschaftlichen Vorteile erheblich. Wenn 60 % der Kohlekraftwerke mit der CCSI-Technologie gekoppelt würden, könnte man bei der Erzeugung grüner Energie zusätzlich 180 Millionen Tonnen Kohleöl gewinnen – das ist mehr als die Hälfte unseres Importvolumens an Rohöl. Der Prüfungsausschuss, dem He Yongde, Experte des Ausschusses für Kohlechemie der Chinesischen Petrochemie-Vereinigung sowie Ehrenvorsitzender der Chemievereinigung der Provinz Shaanxi, vorsteht, ist der Ansicht, dass dieses neue Verfahren zur Pyrolyse von Kohle innovativ und außergewöhnlich effektiv ist. Es gehört zu den führenden Methoden im Inland und spielt eine wichtige Rolle bei der verbesserten, sauberen und effizienten Nutzung von Kohle mit geringer Veränderungsstufe. Es wird empfohlen, die industriellen Tests zur Integration von Pyrolyse und Gasifizierung von Braunkohle zu beschleunigen, um eine frühe Umsetzung und Verbreitung wissenschaftlicher Erkenntnisse zu erreichen. “Die Kombination aus druckbehafteter schneller Pyrolyse von Braunkohle und Gaserzeugung aus Halbkokse führt nicht nur zu einer hohen Ausbeute an Kohlenöl, sondern auch dazu, dass die Wasserstoffressourcen im Öl vollständig genutzt werden können. Dieses Öl kann anschließend entweder zur Herstellung von Fertöls verwendet werden oder zur Stromerzeugung. Die Investitionskosten sind dabei deutlich geringer als bei IGCC, wodurch die Kosten für die Stromerzeugung erheblich sinken – es handelt sich also um eine Win-Win-Situation. ”Li Junfa, leitender Ingenieur des Planungsinstituts für die Öl- und Chemieindustrie, äußerte ebenfalls hohe Anerkennung für diese Technologie. Biomasse und gemeinsame Pyrolyse: Maximierung der Synergien In den letzten Jahren hat die Forschung zur gemeinsamen Pyrolyse von Biomasse und Kohle viel Aufmerksamkeit erhalten. Aufgrund der großen Unterschiede in den Pyrolysetemperaturen beider Stoffe besteht jedoch weiterhin Unklarheit darüber, ob es tatsächlich Synergien gibt. Das Carbonhydrogen-Zentrum von Yanchang Petroleum hat auf der Grundlage der pressierten Pyrolyse von Braunkohle eine neue Vorgehensweise zur zweistufigen Pyrolyse von Biomasse und Kohle entwickelt. Dabei wurden patentierte Produkte wie eine Anlage für die kontinuierliche Zufuhr unter Druck sowie ein fluidisierter Reaktor zur gemeinsamen Pyrolyse von Biomasse und Kohle unter thermischer Kopplung geschaffen. Li Dapeng sagte, dass diese schnelle Ko-Pyrolyse von Biomasse und Kohle in einem Fluidisierbett eine kostengünstige Methode darstellt, um den Tarertrag zu erhöhen. Durch den selbst entworfenen Spiraleinsatz für die Biomasse werden Probleme wie Verklumpungen oder Brückenbildung aufgrund der schlechten Fließfähigkeit der Biomasse beseitigt. Dadurch wird eine kontinuierliche und stabile Transportierung des Materials gewährleistet. Da die Biomasse und Kohle in einem integrierten Reaktor getrennt voneinander pyrolysiert werden, findet bei beiden Materialien die Pyrolyse bei der optimalen Reaktionstemperatur statt. Zudem erzeugt die Pyrolyse der Biomasse H2 sowie Metalle wie K, Ca und Na, die eine hydrogenierende und katalytische Wirkung auf die Pyrolyse der Kohle haben. Gleichzeitig erzeugt die Kohlepyrolyse ausreichend viele Freie Radikale. Durch die Sekundärreaktionen des Biomasseöls sowie durch Reduktionsreaktionen des Halbzuckers werden H2 und CO freigesetzt, wodurch eine ausreichende Menge an Wasserstoffquellen für die Kohle bereitgestellt wird. Dadurch entsteht ein optimaler Ausgleich zwischen den Freien Radikalen und den Wasserstoffquellen. Auf diese Weise können die Vorteile des Biomasseöls und des Kohleteerings miteinander kombiniert werden, was wiederum zu einer höheren Ertragsrate bei der Pyrolyse führt und die synergetischen Effekte der gemeinsamen Pyrolyse maximiert. Laut Angaben wurde das in dem Carbonhydrogen-Zentrum von Yanchang Petroleum entwickelte Testgerät für die schnelle Pyrolyse mit einer Durchflussrate von 10 Kilogramm pro Stunde nach 77 wiederholten Versuchen eingesetzt. Dabei wurden geeignete Arten an Biomasse sowie Kohle ausgewählt. Es wurde festgestellt, dass das optimale Mischverhältnis von Biomasse zu Kohle 70 %:30 % (gemessen am Gewicht) ist. Dadurch konnte eine Tarernte von 16–20 % erzielt werden; zudem trat ein Synergieeffekt von 20–40 % auf. Außerdem zeigt die Analyse der Öqualität, dass im durch gemeinsame Pyrolyse gewonnenen Öl weniger Phenolverbindungen sowie Verbindungen mit heterocyclischen Strukturen, die O, N und S enthalten, vorhanden sind. Stattdessen ist der Anteil an Aromaten hoch. Dies deutet darauf hin, dass eine starke Hydrogenisierung der Biomasse stattgefunden hat. Das Öl eignet sich daher gut als Rohstoff für die Chemieindustrie sowie zur Herstellung von Benzin und Diesel durch Hydrogenisierung. Laut Statistiken betrug die Ernte an Stroh in China im Jahr 2015 etwa 800 Millionen Tonnen – das entspricht etwa 400 Millionen Tonnen Standardkohle. Von diesem Stroh wurde 60 Prozent als Energiequelle genutzt. Wenn dieses günstige, erneuerbare grüne Gut zusammen mit Kohle pyrolysiert wird, um Teer zu gewinnen, entstehen enorme wirtschaftliche Vorteile sowie deutliche Umweltvorteile. He Yongde ist der Ansicht, dass es eine deutliche synergetische Wirkung gibt, wenn Biomasse und Kohle schnell und effizient gemeinsam pyrolysiert werden. Dadurch steigt die Effizienz der Pyrolyse sowie die Menge an Teer, außerdem verbessert sich auch die Qualität des Öls. Dieses technologische Ergebnis gehört zu den führenden im Inland und ist von großer Bedeutung für die Verbesserung der sauberen und effizienten Nutzung von schwach verändertem Kohlebergwerk sowie Biomasse. Es wird empfohlen, die Forschung zur gezielten Umwandlung von Kohle und Biomasse durch gemeinsame Pyrolyse zur Herstellung von Feinchemikalien zu verstärken. Herstellung von Aromaten aus Methan mit gleichzeitiger Erzeugung von Wasserstoff: Beide Ressourcen sind wertvoll. Die Technologie zur direkten Umwandlung von Methan in Aromate sowie zur gleichzeitigen Erzeugung von Wasserstoff nutzt Ressourcen wie Erdgas, Schiefergas oder Kohlegas, die reich an Methan sowie niedergeschichteten Alkanen wie Ethan sind. Unter anaeroben Bedingungen werden so in einem einzigen Schritt die inländisch knappen Aromastoffe wie Benzol, Toluol und Naphthalin hergestellt. Gleichzeitig entsteht wertvoller Wasserstoff. Dadurch wird die Nutzung der Ressourcen sowie der Wert der Produkte maximiert. Zudem kann diese Technologie mit der Petrochemie- und Kohlechemieindustrie koexistieren. “Diese Technologie liefert sowohl Aromaten als auch Wasserstoff als Nebenprodukt und kann mit der Kohlechemie kombiniert werden – das ist ihr größter Vorteil. ”Der Prüfungsausschuss unter der Leitung von Men Cungui, Experten des Beratungszentrums von CNPC und ehemaligem Chefingenieur der Raffinerieabteilung von CNPC, ist der Ansicht, dass es zwar im In- und Ausland Forschungen zur Herstellung von Aromaten aus Methan gibt, doch das neue Verfahren zur Regeneration in einem Fluidbett, das vom Carbon-Hydrogen-Zentrum von Yanchang Petroleum entwickelt wurde, ist einzigartig. Zudem weist das Experimentiergerät die größte Größe auf – insgesamt steht dieses Ergebnis thus auf internationaler Spitzenklasse. Um die Probleme wie die niedrige Durchsatzrate bei der anaeroben Aromatisierung von Methan, die schnelle Inaktivierung des Katalysators sowie die Schwierigkeiten bei einer kontinuierlichen Abwicklung von Reaktion und Regeneration zu bewältigen, wurde ein experimentelles Gerät für einen fluiddynamischen Reaktions- und Regenerationszyklus bei der anaeroben Aromatisierung von Methan entwickelt (Innendurchmesser von Reaktor/Regenerator: 50 Millimeter, maximale Katalysatormenge: 300 Gramm). Dadurch wurde eine kontinuierliche und stabile Betriebsweise erreicht. Die Ergebnisse der Experimente mit dem zyklischen Fluidisierungsgerät zeigen, dass die Methanumwandlungsrate bei über 15 % liegt, die Selektivität für Benzol bei etwa 45 % und die Selektivität für Aromaten bei über 55 %. Dies legt die Grundlage für die Skalierung im Pilotmaßstab. Effiziente Katalysatoren: Förderung der Inlandsproduktion. Die effizienten Katalysatoren für die Hydrokracking-Prozesse in Suspensionsbädern, die durch Oxidation, Ausfällung sowie den Einsatz von Trägermaterialien hergestellt werden, sind Mikro- und Nanostрукturen aufweisende Katalysatoren. Sie werden hauptsächlich bei der direkten Verflüssigung von Kohle, bei der Zusammenverarbeitung von Kerosin, bei der Aufwertung schwerer, minderwertiger Öle sowie bei der Hydrogenierung von Kohlenölteer eingesetzt. Dadurch wird die Umwandlungsrate sowie die Menge an Flüssigprodukten erhöht, während das Risiko von Koksbildung verringert wird. Diese Katalysatoren tragen dazu bei, die Anwendungstechnologien der Hydrokracking-Prozesse sowie die saubere Nutzung von Kohle und die effiziente Nutzung schwerer, minderwertiger Öle zu fördern. Sie werden in der Kohleverarbeitung die derzeit üblichen importierten Katalysatoren ersetzen und so den Prozess der Inlandsproduktion hochentwickelter Technologien beschleunigen. “Der Innovationsaspekt dieses eisenbasierten Katalysators besteht darin, dass die nanoskaligen α-FeOOH-Aktivkomponenten mit Trägermaterialien aus Kohlenstoff in mikroskopischer Größe mit hoher Oberflächenfläche effektiv kombiniert werden. Bei der Herstellung weist dieser Katalysator Vorteile wie kurze Prozessschritte, gute Kontrollierbarkeit und niedrige Kosten auf. In Bezug auf seine Leistungseigenschaften bietet er nicht nur eine hohe Umwandlungsrate sowie einen hohen Anteil an flüssigem Produkt, sondern besitzt auch die Fähigkeit, das Verklumpen zu verlangsamen. ”Men Cungui sagte gegenüber Reportern, dass das Ergebnis insgesamt auf internationalem Spitzenniveau liege, und empfahl, die industrielle Skalierung sowie die Verbreitung des Katalysators zu beschleunigen. Es wird berichtet, dass das Carbonhydrogen-Zentrum von Yanchang Petroleum die Herstellung von Katalysatoren in Kilogramm-Mengen abgeschlossen hat. In einem Pilotanlagen zur Hydrokracking-Verarbeitung mit einer Kapazität von 150 Kilogramm pro Tag wurden kontinuierliche Tests zur Bewertung der Leistungsfähigkeit dieser Katalysatoren durchgeführt. Im Vergleich zu den kommerziellen Katalysatoren, die derzeit in der Demonstrationsanlage zur Verarbeitung von Kerosin bei Yanchang Petroleum verwendet werden, lässt sich die Menge an benötigten Katalysatoren um 45 % reduzieren – außerdem steigt die Ausbeute an Flüssigkeiten