Welche der verschiedenen Methoden zur Hydrogenierung von Kohlebitumen sind am besten?

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In den letzten zwei Jahren sind im Inland zahlreiche Projekte zur Anwendung der Kohleöl-Hydratierungstechnologie aufgetaucht. Am 30. April 2014 wurde das Prozesspaket für die Hydrokrackanlage mit Schwebbetttechnologie zur Verarbeitung von Kohleöl in der Firma Ustai Fine Chemicals Co., Ltd. der Inner Mongolia Qinghua Group mit einer Kapazität von 500.000 Tonnen pro Jahr genehmigt. Am 25. Juli 2015 wurde in der Hebei Xinqiyuan Energy Technology Development Co., Ltd. eine Anlage zur Hydrierung von Kohlebenzol mit einer Kapazität von 150.000 Tonnen pro Jahr erfolgreich in Betrieb genommen. Es handelt sich dabei um die erste solche Anlage in China. Derzeit ist die erste Phase des Demonstrationsprojekts zur Herstellung von Öl aus Kohlekatrin durch Hydrokracking unter Verwendung der Vollfraktion-Suspensionsbett-Technologie bei der Anyuan Chemical Co., Ltd. von Yanchang Petroleum in Betrieb genommen worden. Dabei werden 500.000 Tonnen Kohlekatrin pro Jahr hydrokraktiert, um daraus Öl herzustellen. Bislang werden im Inland insgesamt sechs Arten von Hydrogenergieverfahren für Kohleöl angewandt: die Technologie der Hydrogenisierung in Festbettanlagen, die Technologie der Hydrocracking in Festbettanlagen, die Technologie des Hydrocrackings von Kohleöltartern in Festbettanlagen, die Kombination aus Verzögerter Kokserei und Hydrocracking in Festbettanlagen sowie die Technologien des Hydrocrackings in Schwebbett- und Siedebettanlagen. Wie also werden diese Technologien miteinander verglichen? Welche Technologie wird die Anwendungsbereiche bestimmen und die Zukunft der Kohleöl-Hydratierungsindustrie prägen? Branchenexperten gaben jeweils ihre Kommentare ab. Kohlenbitumen ist ein dunkelbraunes oder völlig schwarzes, zähes Flüssigkeitsprodukt, das je nach Destillierungstemperatur der Kohle in Niedertemperatur-Kohlenbitumen, Mitteltemperatur-Kohlenbitumen und Hochtemperatur-Kohlenbitumen eingeteilt wird. Die Hydrogenisierung von Kohlebitumen bedeutet, mithilfe von Hydrogenisierungsverfahren Schwefel, Stickstoff, Sauerstoff, Metalle sowie andere Verunreinigungen aus dem Kohlebitumen zu entfernen. Zudem werden gesättigte Olefine und Aromaten beseitigt, wodurch Produkte wie Naphtha, Diesel sowie schwefel- und stickstoffarme Schwerölprodukte hergestellt werden können. Branchenexperten erklärten den Reportern, dass die sechs Technologien zur Wasserstoffierung von Kohlebitumen auf demselben Prinzip beruhen – nur die Vorbereitungsverfahren unterscheiden sich. Danach erfolgt in allen Fällen eine Wasserstoffierung in einem festenbettigen Reaktor. In der Vorbereitungsphase haben sie jeweils ihre eigenen Eigenschaften. Die reine Technik der Hydrogenisierungsreinigung in einem festenbettigen Verfahren ist die Destillation unter Druck- und Vakuumbedingungen. Dabei werden alle Bestandteile des Kohlebitumens in leichte Öle und Schweröle aufgeteilt. Die leichten Öle dienen anschließend als Rohstoffe für die Hydrogenisierungsreinigung. Dabei werden Schwefel, Stickstoff, Sauerstoff usw. aus den leichten Ölen entfernt. Gleichzeitig werden die darin enthaltenen Olefine sowie einige aromatische Verbindungen durch Hydrogenisierung gesättigt. Am Ende erhält man Naphtha sowie Dieselkraftstoff mit niedrigem Schwefelgehalt. Der Vorteil dieser Technologie ist ihre einfache Handhabung sowie geringe Investitionskosten. Allerdings ist die Ausbeute an Leichtölen am niedrigsten; sie eignet sich nur zur Verarbeitung von Fraktionen bei Temperaturen unter 350 Grad Celsius. Die Technologie der Hydrocracking-Anlage mit festem Bett beinhaltet im Prozessablauf einen zusätzlichen Hydrocracking-Bereich, in dem Kohlebitumen zunächst in Destillatöle und Asphaltprodukte aufgeteilt wird. Dabei gelangen die Destillatsöle nacheinander in den Hydrierungsreinigungsabschnitt und den Hydrotrocknungsabschnitt. Im Hydrierungsreinigungsabschnitt werden Schwefel-, Stickstoff- und Sauerstoffatome aus dem Rohöl entfernt, außerdem werden Olefine sowie einige aromatische Verbindungen durch Hydrierung gesättigt. Im Hydrotrocknungsabschnitt werden die Öle bei einem Druck von 350 bis 500 Grad Celsius in leichtere Öle umgewandelt – dadurch steigt die Ausbeute an Öl. Theoretisch kann die Nutzungseffizienz von Kohlebitumen um etwa 30 % gesteigert werden, wenn der Trockepunkt des destillierten Öls gut kontrolliert wird. Aber in Wirklichkeit lässt sich der Trockenpunkt von Destillatölen in der Regel nicht gut kontrollieren. Die Rohstoffe für die Technik der Hydrokracking mit festem Katalysator bei vollständiger Destillation umfassen nun auch einen Anteil an Teerharzen, wodurch die Nutzungskraft von Kohleteer weiter gesteigert wird. Zhu Yufei, ein hochrangiger Ingenieur am Pekinger Institut für kohlenstoffarme saubere Energien, ist der Ansicht, dass die Wasserstoffisierung besser ist als die Koksgewinnung, wenn das Endprodukt Kraftstoffe wie Benzin oder Dieseldestillate sind. Denn die Wasserstoffisierung ermöglicht eine vollständigere Nutzung von Kohlenbitumen als Ressource und kann das Rohmaterial Kohlenbitumen in größtmöglichem Maße in Leichtölprodukte umwandeln. Die Kombination aus Verzögerter Koksgewinnung und Hydrogenisierung kann als Verfahren zur Verarbeitung von Kohlekokse verwendet werden. Sein offensichtlicher Nachteil ist jedoch die hohe Koksrendite, bei der ein erheblicher Anteil an flüssigem Kohlenölkoks in festen Koks umgewandelt wird, was aus Sicht der Ressourcennutzung nachteilig ist. Insbesondere bei hochtemperaturigem Kohleöl ist die Verarbeitung durch verzögerte Koksgewinnung noch schwieriger. Yao Lei, Ingenieur bei der Shaanxi Shenmu Tianyuan Chemical Co., Ltd., ist der Ansicht, dass das Verfahren der verzögerten Koksherstellung ein halbkontinuierlicher Prozess ist. Dabei kann eine größere Menge an Rohstoffen auf einmal verarbeitet werden – und die Effizienz ist ebenfalls hoch. Zudem weist dieses Verfahren nicht die Eigenschaft auf, wie es bei anderen Technologien der Fall ist, bei denen mehrere Hydrokatalysatoren verwendet werden müssen. Dadurch werden die Investitionskosten sowie die Betriebskosten für die Verarbeitung von Kohlekolonialöl erheblich gesenkt. Infolgedessen steigen die wirtschaftlichen Vorteile bei der Verarbeitung von Kohlekolonialöl. Doch Zhang Jianqiang, stellvertretender Generaldirektor von Gansu Honghui Energy Chemical Co., Ltd., ist der Ansicht, dass man bei Berücksichtigung des längsten Betriebszyklus feststellen kann, dass die Kombination aus Verzögerter Krakkung und Hydrogenisierung zwar eine geringe Ölertragsrate aufweist – nur 75% – doch wenn man den Katalysatorverbrauch sowie die Kosten im Zusammenhang mit dem Start- und Stopvorgang berücksichtigt, ist diese Technologie dennoch recht wirtschaftlich und geeignet. Die Hydrokrackungstechnologien mit Schwebbett- und Siedebettverfahren sind derzeit besonders im Fokus. In diesem technischen Reaktor ist der Katalysator nicht in festem Zustand, sondern fließt. Durch das Reaktionsmedium können die bei der Hydrierung entstehenden Wärmeenergien abgeführt werden. Dadurch wird verhindert, dass durch Schadstoffe, die mit den Rohstoffen gelangen, Ablagerungen und Verkohlung entstehen, was wiederum zu einer Verstopfung des Katalysatorbetts führen könnte. Einige Branchenexperten sind der Ansicht, dass in Schwebbett- und Kochbettreaktoren der Katalysator online ausgetauscht werden kann. Dadurch bleibt die Aktivität des Katalysators im Reaktor konstant, was eine stabile Betriebsweise über lange Zeiträume ermöglicht. Dadurch steigen die Umwandlungsraten von Kohleöl sowie die Erträge an Leichtölen – die Ölerträge können sogar 90 Prozent oder mehr betragen. Zhu Yufei ist der Ansicht, dass die Hydrogenergie-Technologie mit Schwebbett besser geeignet ist zur Verarbeitung von Kohleöl. Denn Schwebbettsysteme können schwere Öle mit hohem Anteil an Asphalten verarbeiten – was einen großen Vorteil bei der Verarbeitung von Rohstoffen mit vielen Verunreinigungen darstellt. Er ist der Ansicht, dass nicht alle Hydrogenierungsverfahren für Schwebbettreaktoren zur Verarbeitung von Kohlebitumen eingesetzt werden können, da die Reaktionsfähigkeit des Kohlebitumens sich von der der Öldestillate unterscheidet. Um gute Ergebnisse bei der Hydrogenisierung zu erzielen, sind geeignete Katalysatoren sowie spezielle Prozessbedingungen erforderlich. Wan Xuebing, Generalmanager von Shandong Zibo Tailong Catalysis Technology Co., Ltd., ist der Ansicht, dass beim Hydrogenisierungsprozess von Kohlebenzin in Schwebbettreaktoren der Katalysator in dem Kohlebenzin schwebt. Die Dichte des Katalysators liegt nahe an der Dichte der Reaktanten, wodurch eine gleichmäßige Reaktion zwischen Katalysator und Kohlebenzin stattfindet – mit guter Reaktionsaktivität. Zhang Xiaojing, Leiterin des Instituts für Verflüssigung am Zentralinstitut für Kohlenwissenschaften, ist der Ansicht, dass die Hydrokrackungstechnologien mit Schwebbett- und Siedebettreaktoren unterschiedliche Reaktoren sowie unterschiedliche Reaktionssysteme und Schwierigkeitsgrade aufweisen. Daher sollten die Betriebskosten, die Betriebskomplexität sowie die Investitionskosten miteinander verglichen werden. Zuo Tie, leitender Ingenieur bei der Sinopec Luoyang Engineering Co., Ltd., erklärte weiter, dass das System zur Zugabe und Entnahme von Katalysatoren in Reaktoren mit siedendem Bett komplex ist, wodurch die Investitionskosten um 10–15 % höher ausfallen als bei Reaktoren mit schwebendem Bett. Die Schwebbetttechnologie ermöglicht eine ständige Nachlieferung von Katalysatoren im Reaktor, wodurch sichergestellt wird, dass der frischeste Katalysator zur Reaktion mit dem Kohleöl verwendet wird. Dadurch wird der Teer im Öl nahezu vollständig umgewandelt. Die Ölerträge sind hoch: Bei mittel- und niedrigtemperierten Kohleölen liegen die Erträge bei 92 %, bei hohen Temperaturen bei 83 %. He Yongde, Ehrenvorsitzender der Chemischen Gesellschaft der Provinz Shaanxi, führte mehrere Vergleiche durch: Die Verwendung der Hydrokrackungstechnologie mit festem Katalysator aus Kohleöl liefert 10 % mehr Öl – doch der Wasserstoffverbrauch ist hoch. Für 1 Tonne Öl werden im Vergleich zur Kombination aus Verzögerter Kokskohlenherstellung und Hydrokrackungstechnologie mit festem Katalysator 200 Kubikmeter mehr Wasserstoff benötigt. Aus investitionstechnischer Sicht erfordert die Technologie der Hydrokracking in einem festenbettigen System mit vollständiger Destillation von Kohlebitumen 25–30 % weniger Investitionen im Vergleich zur Kombination aus Verzögerter Katalyse und Hydrokracking in einem festenbettigen System. Bei derselben Art von Kohlebitumen sind die wirtschaftlichen Aspekte beider Technologien im Großen und Ganzen ähnlich. Die Ölerträge bei der Hydrogenergiegewinnung mit Schwebbett- und Siedebettverfahren sind im Vergleich zu Festbettverfahren höher. Li Zhiyue, stellvertretender Generaldirektor der Shoushan-Cokerei in Pingdingshan, Henan, sowie Zhang Xinqiao, Generaldirektor der Henan Baoshuo Tar Chemical Co., Ltd., und andere Branchenexperten sind sich einig, dass die Hydrogenisierung in Schwebbett- und Siedebettverfahren die technologische Richtung für die Hydrogenisierung von Kohleöltar ist. Dabei wird eine hohe Ausbeute an Öl erzielt, was sie für die Hydrogenisierung aller Fraktionen von Hochtemperatur-Kohleöltar geeignet macht. Nur erkennen einige von ihnen das Schwingbett an, während andere das Schwebbett bevorzugen. Zhang Jianqiang wies darauf hin, dass Schwebbett- und Siedebettverfahren lediglich unterschiedliche Arten der Umrühung sind und beide zukünftige Entwicklungsrichtungen darstellen. Allerdings kann nur nach einem einjährigen kontinuierlichen Betrieb unter voller Last festgestellt werden, ob das System langfristig und stabil funktioniert. Mehrere Experten, darunter Cao Xianyong, ein leitender Ingenieur bei der Xinjiang Guanghui Energy Company, sagten den Reportern, dass Schwebbett- und Siedebettverfahren derzeit die fortschrittlichsten Technologien für die Hydrogenisierung von Kohleöl seien, doch die Investitionskosten seien ebenfalls relativ hoch. Der Weg sollte in Abhängigkeit von der Qualität des Kohlenkolens und vom Umfang der Verarbeitung von Kohlenkole bestimmt werden. Wenn die Qualität des Kohlebitumens gut ist und die Verarbeitungsskala klein ist, eignen sich sowohl feste Betten als auch die verzögerte Koksgewinnung. Selbst bei geringer Verarbeitungsskala lässt sich hochtemperaturiges Kohlebitumen durch Hydrogenierung in festen Betten verarbeiten. Für hochtemperaturiges Kohlenbitumen mit großem Tarierungsgrad, hohem Aschegehalt und hohem Metallgehalt eignen sich die Hydrokrackverfahren in Schwebekammern und Siedekammern besser. Fan Anlin, leitender Ingenieur bei der Shandong Province Jineng Coal Chemical Co., Ltd., sagte gegenüber Reportern, dass es keine absolute beste Lösung zwischen Suspensionsbett- oder Siedebettverfahren gebe. Die Wahl des technischen Ansatzes sollte anhand von Faktoren wie der Qualität des Kohleöl-Tarps, den verfügbaren Ressourcen an Kohleöl-Tarps, den finanziellen Mitteln des Unternehmens, der Qualität des Kraftstoffs nach der Hydrierung des Kohleöl-Tarps sowie den Preisen für fertige Produkte getroffen werden – dabei muss das Unternehmen seine eigenen wirtschaftlichen Aspekte berücksichtigen. Neben der Herstellung von Ölen mit der Kohleöl-Tar-Hydratierungstechnologie werden auch andere Ansätze in der Praxis angewandt. Es ist bekannt, dass die derzeit vorhandenen Verfahren zur Hydrogenierung von Kohlenstoffteer hauptsächlich Naphtha und Leichtdiesel als Endprodukte erzeugen. Ein herausragendes Merkmal dieser Produkte ist ihr hoher Gehalt an Aromaten und Cycloalkanen. Der potenzielle Anteil an Aromaten liegt in der Regel bei 70 % bis 80 %, was weit über dem Anteil liegt, der in Erdöl vorkommt. Es handelt sich somit um eine seltene Rohstoffquelle für Aromate. Zhu Yufei sagte, dass man durch den Einsatz der selektiven Hydrocrackungstechnologie die Polyzyklischen Aromaten in Monocyklische Aromate umwandeln könnte. Diese könnten anschließend zur Herstellung von Aromatprodukten verwendet werden. Auf diese Weise würde nicht nur das Problem des niedrigen Oktanzahls bei Leichtdieselprodukten vermieden, sondern auch die Aromatressourcen dieses Öls effektiv genutzt werden. Kohlenölteer wird mithilfe von Hydrogenergieumwandlungstechnologien zur Herstellung von Aromaten verwendet und kann außerdem den Wasserstoffverbrauch im Produktionsprozess verringern. Branchenexperten wie Li Zhiyue geben ebenfalls an, dass Kohlebenzol, wenn er zur Herstellung von Aromaten verwendet wird, nicht nur die Effizienz der Katalytischen Reformierungsanlagen erheblich steigern kann, sondern auch die Vorteile dieses Rohstoffs voll ausschöpfen lässt. Aromatische Kohlenwasserstoffe haben einen hohen Mehrwert und es gibt keinen Verbrauchsteuer, das ist die richtige Richtung – wirtschaftlich gesehen durchaus sinnvoll. Aber es gibt auch Branchenexperten, die der Ansicht sind, dass die Einführung von Aromaten ebenfalls entsprechend den Marktbedingungen für den Verkauf und die Produktion von Aromaten in der Region des Unternehmens entschieden werden sollte.