Situación actual del procesamiento avanzado del alquitrán de carbón, nuevas tecnologías y direcciones de desarrollo

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La industria del alquitrán de carbón es una industria bastante tradicional. A pesar de la feroz competencia por parte de la industria petroquímica en los últimos 30 años, esta industria sigue teniendo un gran potencial de desarrollo. En particular, en los últimos años, con el desarrollo de nuevos materiales y de la industria siderúrgica, se ha vuelto a prestar atención al uso eficiente de los recursos derivados del alquitrán de carbón. Nuestro país es uno de los principales productores de coque, representando aproximadamente el 36% de la producción mundial. La producción de coque genera una gran cantidad de subproductos: alquitrán de carbón. En nuestro país, la producción anual de alquitrán de carbón es de aproximadamente 5 a 6 millones de toneladas. La capacidad de procesamiento es de unos 4,5 millones de toneladas, mientras que la capacidad de los proyectos en construcción, en expansión o planificados es de unos 2 millones de toneladas. Actualmente, hay unas 50 empresas que se dedican a la procesación del alquitrán de carbón. La más avanzada de ellas es la planta de procesamiento de alquitrán de carbón que el grupo Baosteel adquirió de Japón en el siglo pasado; su capacidad de producción es de 260 mil toneladas al año, y cuenta con 26 tipos diferentes de productos. Las siguientes en importancia son las empresas Ansteel, Wugang y Bengang. La mayoría de los demás procesos de producción de alquitrán de carbón están distribuidos de manera dispersa, y se basan principalmente en métodos artesanales de carbonización. Esto no solo genera un gran desperdicio de recursos no renovables, sino que también contamina el medio ambiente. 　　Con el continuo desarrollo de la economía de nuestro país y las crecientes exigencias en materia de protección del medio ambiente, el procesamiento avanzado del alquitrán de carbón se ha convertido en un problema que debe resolverse con urgencia. Según la situación actual del desarrollo de la industria del alquitrán de carbón, la industria nacional de cokificación del carbón se encuentra en un importante período de integración y transformación. En el futuro, la industria del alquitrán de carbón tenderá a desarrollarse hacia la concentración, la separación precisa, el procesamiento avanzado y la síntesis de nuevos materiales. 　　1. Producción de alquitrán de carbón en nuestro país
El alquitrán de carbón es una mezcla orgánica compuesta principalmente por hidrocarburos aromáticos. Contiene más de 10,000 compuestos diferentes; de estos, se pueden extraer unos 200. Actualmente, hay unos 50 compuestos que son útiles y cuya extracción es económicamente viable. Los productos obtenidos a partir de su procesamiento avanzado, como aceites ligeros, fenoles, naftalenos, aceites de lavado, antracenos, carbazoles, indoles y asfalto, son materias primas esenciales para la producción de plásticos sintéticos, fibras sintéticas, pesticidas, tintes, medicamentos, pinturas, aditivos y otros productos químicos de alta calidad. También son materiales básicos para industrias como la metalurgia, la síntesis química, la construcción, la textil, la papelera y el transporte. Muchos de estos productos no se pueden obtener a partir del petróleo. Por lo tanto, el procesamiento del aceite pesado de coque de carbón puede impulsar el desarrollo de estas industrias. 　　En el proceso moderno de producción de coque, los principales productos químicos que se recuperan del gas son el alquitrán de carbón, el amoníaco (principalmente amonio sulfato) y el benceno crudo. La producción de alquitrán de carbón varía en función del tipo de coque utilizado en el proceso de refinación. Cuanto mayor sea el contenido de volátiles en el coque, mayor será la tasa de recuperación del alquitrán y, por lo tanto, mayor será su producción. 　　2 Situación actual del procesamiento del alquitrán de carbón en el país y en el extranjero 　　2.1 Escala de producción 　　La capacidad de cada planta de destilación de alquitrán en países como Japón, Alemania, Francia y Rusia es de entre 100.000 y 500.000 toneladas al año. En teoría, cuanto mayor es la capacidad, mejores son los beneficios de escala. 　　Con recursos limitados, elegir un equipo de procesamiento de 100.000 t/a permite maximizar el valor de procesamiento del producto. Solo cuando la cantidad de alquitrán recolectado sea suficiente, se podrá construir una planta de procesamiento de alquitrán con una capacidad de 500.000 t/a. Los equipos nacionales de destilación de alquitrán tienen capacidades que van desde 0,6 hasta 150.000 toneladas/año, en diferentes escalas: 0,6; 1,2; 3; 5; 7,5; 10 y 150.000 toneladas/año. Las plantas con una capacidad de más de 30.000 t/a utilizan un proceso de destilación continua, mientras que las plantas con capacidad inferior a 30.000 t/a emplean un proceso de destilación intermitente. Las razones de la existencia de diferentes escalas de procesamiento son las siguientes: ① La producción de alquitrán en las propias plantas de procesamiento de alquitrán varía, por lo que se construyen instalaciones con una capacidad acorde a esa producción; ② El procesamiento del alquitrán no se considera como una industria independiente, sino más bien como una unidad de tratamiento secundaria dentro de las plantas de cokificación; ③ El nivel tecnológico para el procesamiento a gran escala del alquitrán es insuficiente; ④ No se presta la debida atención a la protección del medio ambiente y al uso eficiente de la energía. 　　2.2 Planes de productos 　　2.2.1 En el procesamiento del alquitrán de carbón en el extranjero existen 3 modalidades de producción: la primera es la producción de una amplia variedad de productos, purificados y formulados según diferentes especificaciones y grados; la segunda consiste en desarrollar productos de procesamiento avanzado a partir de los productos obtenidos del alquitrán de carbón, orientados hacia la industria química fina, los colorantes y los productos farmacéuticos; la tercera modalidad se centra en el procesamiento de productos derivados del asfalto. 　　El representante del primer modelo es la empresa alemana Lütgé. Existen más de 220 productos que se separan y se elaboran a partir del alquitrán. El naftaleno tiene 4 grados, las resinas tienen 5 grados, el antraceno tiene 7 grados, mientras que los aditivos bituminosos y los materiales de impregnación cuentan con 20 grados diferentes. De acuerdo con las exigencias del mercado, es posible cambiar los parámetros de operación en la misma instalación para producir productos de diferentes calidades, logrando así la versatilidad de la misma. 　　El representante del segundo modelo es la empresa japonesa Sumitomo Chemical, que se dedica únicamente a la purificación o modificación de los compuestos puros presentes en el alquitrán de carbón. La empresa ha desarrollado y producido 180 productos diferentes; entre ellos, hay 21 derivados de fenoles, 32 derivados de quinolina y 60 derivados de naftaleno. 　　Entre los representantes del tercer modelo se encuentran la empresa japonesa Mitsubishi Corporation, la empresa estadounidense RiUy y la empresa australiana Koppem; todas ellas ofrecen productos especiales en el procesamiento de alquitrán de queroseno de carbón. Estas compañías no procesan los demás fracciones obtenidas por la destilación del alquitrán de carbón; las venden en forma de aceite mezclado. Solo procesan el asfalto que se obtiene como producto de la destilación. Dado que, en el proceso de procesamiento del alquitrán de carbón, la tasa de producción de asfalto es superior al 50 %, un buen procesamiento del asfalto y la mejora de su valor agregado permiten garantizar los beneficios generales del proyecto de procesamiento del alquitrán. 　　2.2.2 Procesamiento del alquitrán de carbón a nivel nacional Los productos principales son los fenoles, naftaleno, aceite lavado, antraceno en bruto, asfalto, entre otros. La calidad y la cantidad de los productos producidos por las diferentes fábricas son más o menos similares, lo que hace que la eficiencia en el procesamiento del alquitrán sea mediocre, con una gran diferencia en comparación con el extranjero. Las principales razones son las siguientes: el tamaño de los dispositivos utilizados para procesar el alquitrán es, en general, pequeño; hay pocos productos de alta calidad y con alto valor agregado; las empresas productoras tienen una capacidad limitada para adaptarse al mercado; además, el mercado para los productos derivados del alquitrán aún necesita ser desarrollado. En particular, es difícil introducir nuevos productos en el mercado. 　　2.3 Proceso de producción El proceso de destilación del alquitrán es más o menos similar en países tanto nacionales como extranjeros; se trata de un proceso de deshidratación y destilación fraccionada. Sin embargo, los procesos utilizados en el extranjero son más variados que los que se emplean en los países nacionales. En comparación con los procesos de destilación de alquitrán utilizados en el extranjero, los procesos nacionales no presentan grandes diferencias; simplemente se aplican en contextos diferentes. Con solo realizar algunas mejoras en los equipos, el control de instrumentos y el uso de energía en los procesos nacionales, se puede convertir en un proceso avanzado y práctico. 　　2.4 Nivel de protección ambiental La protección ambiental se refiere, principalmente, al tratamiento de las aguas residuales, los gases y los residuos que se generan durante el proceso de procesamiento del alquitrán. En cuanto a las aguas residuales generadas en el procesamiento del alquitrán, las medidas adoptadas tanto a nivel nacional como internacional son más o menos las mismas: se recogen en conjunto y se envían a las instalaciones de tratamiento de aguas residuales de las plantas de cokería para su posterior eliminación. La diferencia radica en que los estándares de calidad de las aguas tratadas en el ámbito nacional son ligeramente peores. El tratamiento de los gases de escape se refiere principalmente al tratamiento de los gases emitidos durante el proceso de procesamiento del alquitrán y de los humos derivados del asfalto. Las plantas de procesamiento de alquitrán en el extranjero recogen estos gases residuales y los concentran en torres de lavado; una vez purificados y enfriados, se envían a hornos tubulares para su incineración. En la parte superior de los tanques de aceite de algunas plantas de procesamiento de alquitrán también se aplica un sellado con nitrógeno, lo que reduce aún más la posibilidad de que se liberen gases. En el país, solo algunos equipos de procesamiento de alquitrán realizan la recolección y tratamiento centralizado de los gases emitidos; la mayoría de los equipos, en cambio, liberan esos gases libremente. Por lo tanto, se deben mejorar los sistemas de tratamiento de gases de escape. Los residuos generados en el procesamiento del alquitrán son únicamente los residuos de alquitrán. En todos los países, el método de tratamiento es el mismo: se recogen en conjunto y luego se mezclan con el carbón. Las instalaciones para la distribución de carbón en el país son deficientes, y en algunas fábricas existe un grave problema de desecho indiscriminado. Pero, con una gestión estricta y un manejo cuidadoso, es totalmente posible alcanzar el nivel de tratamiento que se utiliza en el extranjero. 　　2.5 Nivel de ahorro energético 　　El ahorro de energía y la reducción del consumo son indicadores importantes para los dispositivos. El procesamiento del alquitrán es un proceso que consume mucha energía. En los países extranjeros, se controla mejor el consumo de agua, vapor y carbón; se utilizan técnicas como el enfriamiento por aire, el intercambio de calor entre fluidos fríos y calientes, sistemas de circulación de agua en múltiples etapas, destilación a baja temperatura y bajo presión, así como la recuperación de calor a través del vapor. Sin embargo, el consumo de electricidad sigue siendo mayor que en los países locales. Con el ajuste de la estructura energética nacional, es una tendencia inevitable utilizar más electricidad y reducir el consumo de agua, vapor y gas. 　　2.6 Nivel de equipamiento 　El nivel de equipamiento de un dispositivo está estrechamente relacionado con el nivel de fabricación mecánica y de control automático. El nivel de equipamiento para el procesamiento del alquitrán en el país difiere significativamente del existente en el extranjero. La razón principal es la excesiva atención que se presta al costo de inversión en los proyectos. Es difícil encontrar fabricantes nacionales capaces de producir equipos para operar a altas temperaturas, materiales resistentes a la corrosión, o instrumentos de medición para medios con alta temperatura y viscosidad. Incluso en el caso de los equipos importados del extranjero, el nivel de mantenimiento varía mucho. 　　3 Avances en la tecnología de procesamiento del alquitrán de carbón en el país 　　3.1 Tecnología de destilación del alquitrán 　　En el país, se utiliza principalmente un proceso de destilación a presión atmosférica, con una sola torre, y que permite obtener dos o tres fracciones diferentes del alquitrán. El equipo de destilación del alquitrán de carbón introducido presenta las siguientes características: se utiliza un proceso continuo de deshidratación y eliminación de los aceites ligeros. La torre de destilación funciona a presión reducida; en la parte superior de la torre se obtiene alquitrán fenólico, a una presión de 13,3 kPa. En la parte inferior de la torre se obtiene alquitrán blando, cuyo punto de ablandamiento es de 65 °C. Se utiliza un horno de tipo caja cuadrada; la temperatura del alquitrán al salir del horno es de 330 °C. Se aprovecha bien el calor residual: el alquitrán blando intercambia calor con el alquitrán, y para cada fracción se utiliza un generador de vapor que produce vapor a baja presión, de 0,3 MPa. El vapor y el aceite que salen de la parte superior de la torre se enfrían mediante un condensador de aire. Al trabajar a presión reducida, se puede ahorrar entre un 15% y un 50% de energía. Los gases residuales obtenidos por esta operación, así como el agua que contiene fenol, se envían al horno para ser incinerados. Para la construcción de la torre de destilación se utiliza acero aleado de bajo carbono resistente a la corrosión. 　　3.2 Técnica de destilación del naftaleno industrial Actualmente, la mayoría de las plantas de cokificación en el país producen naftaleno industrial al 95% sin tratar con ácido. Solo las empresas que se dedican a la recuperación de quinolinas producen naftaleno industrial al 95% después de someterlo a un tratamiento con ácido diluido. Además, los materiales utilizados para producir el naftaleno industrial al 95% también son diferentes: fracciones de baja densidad (es decir, fracciones de aceite de naftaleno), fracciones de cuatro componentes (ligero, fenol, naftaleno, producto de lavado), fracciones de tres componentes (fenol, naftaleno, producto de lavado), fracciones de dos componentes (naftaleno, producto de lavado), etc. El proceso de destilación del naftaleno industrial puede dividirse en destilación intermitente en reactor a presión normal, destilación intermitente en reactor a baja presión, destilación continua con dos reactores y dos torres a presión normal, destilación continua con dos hornos y dos torres a presión normal, destilación continua con un horno y dos torres a presión normal, destilación continua con un solo horno y una sola torre a presión normal, y destilación continua a presión elevada con un solo horno y dos torres. En cuanto al número real de placas de la torre de destilación, inicialmente era de 50 placas; posteriormente aumentó a 63, 64 y 70 placas. Los tipos de columnas de destilación incluyen columnas con relleno (anillos de porcelana, anillos de Pall, placas onduladas, etc.), columnas con burbujas circulares, columnas con burbujas en forma de barra, columnas con placas inclinadas y columnas con válvulas flotantes. Actualmente, la mayoría de las grandes plantas de cokificación utilizan torres de válvulas flotantes de 70 niveles, en un proceso de destilación continua a presión atmosférica con dos o tres columnas, utilizando como materia prima fracciones obtenidas por mezcla. El proceso continuo con un horno a presión normal y dos torres es bastante común. Sin embargo, el proceso continuo de Baosteel, que utiliza un horno a presión normal o presurizada junto con dos torres, presenta el menor consumo energético. Con la aplicación de las computadoras, el proceso de destilación continua en un solo horno o torre tiene un gran potencial de desarrollo. 　　3.3 Técnicas de lavado de los fracciones obtenidas por destilación del alquitrán. Se refiere a los dispositivos de eliminación de fenol mediante lavado con álcalis, o de quinina mediante lavado con ácidos; de esta manera se pueden obtener sales de fenol y sulfato de quinina, respectivamente. Por lo general, primero se elimina el fenol y luego la quinolina; también es posible eliminar solo el fenol, sin eliminar la quinolina. Los materiales primos varían según las diferentes fracciones obtenidas mediante la destilación del alquitrán; existen fracciones de amplio rango y fracciones de rango estrecho. El proceso de lavado puede operar de forma intermitente o continua. Los equipos de lavado existen en formas como agitación por aire, agitación mecánica, mezcla mediante bombas, mezcladores estáticos y mezcladores por chorro. Los dos últimos tipos de lavadores son más avanzados, ofrecen un mejor rendimiento en el proceso de lavado y facilitan la operación continua y el control automático. Los principales factores que controlan la elución del fenol con álcalis son la concentración del álcali, la temperatura de lavado, el tiempo de separación y el número de etapas de lavado. Los requisitos de lavado para cada fracción son que su contenido de fenoles sea inferior al 0,5 %. Baosteel ha adoptado un proceso de desfenolización por lavado alcalino completamente continuo. La concentración del líquido alcalino es baja, entre el 8% y el 10%. Tanto el aceite ligero como el aceite fenólico se someten a un único paso de desfenolización; la eficiencia de esta desfenolización es de aproximadamente el 38% en el caso del aceite ligero y del 88% en el caso del aceite fenólico. La desfenolización del aceite ligero tiene como efecto purificar las sales de fenol sódico. En el caso del aceite de naftaleno, se utiliza un proceso de desfenolización en tres etapas, con una eficiencia del 79%. Para llevar a cabo esta desfenolización, se emplean mezcladores estáticos. Además, se realizó un lavado ácido continuo únicamente con aceite de fenol desfenolizado y aceite de metilnaftaleno, para eliminar la quinolina. La concentración de ácido utilizada fue del 30% al 39%. La eficiencia en estos procesos fue del 38,5% y 52,2%, respectivamente. El equipo también utiliza mezcladores estáticos. 　　3.4 Técnica de producción de antraceno grosero 　Las fábricas nacionales utilizan un proceso de operación intermitente, y el equipo empleado es un cristalizador de tambor. Para aumentar el rendimiento del antraceno grosero, se desarrolló un método de cristalización en dos etapas. El proceso introducido por Baosteel utiliza un control de programa completamente continuo, e incluye las operaciones de carga del aceite de antraceno, enfriamiento y cristalización, descarga del producto y centrifugado; en total, 44 horas. Posteriormente, se mejoró el proceso combinando enfriamiento natural y forzado, lo que redujo el tiempo de cristalización a 35 horas; además, los granos de cristal resultantes eran de gran tamaño. El equipo utilizado era un cristalizador de enfriamiento vertical, lo cual facilitaba la operación continua. El antraceno obtenido contenía hasta un 38% de antraceno, mientras que su contenido en aceite era muy bajo. 　　3.5 Técnica de descomposición de sales de fenol sódico 　En el país, se utiliza principalmente el método de descomposición con ácido sulfúrico. La desventaja es que se genera agua rica en fenol, lo cual dificulta su tratamiento. En la década de 1970 se desarrolló el método de descomposición de los gases de escape de las chimeneas, pero aún persiste el problema de la contaminación secundaria. El proceso adoptado por Baosteel consiste en el uso del gas de alto horno para la descomposición, mediante un procedimiento en dos etapas. La tasa de descomposición es del 98%. Además, cuenta con un dispositivo de caustificación que permite obtener una solución alcalina con una concentración del 8% al 10%; la tasa de caustificación es del 77%. No hay problemas de contaminación secundaria. 　　3.6 Técnica de producción de naftaleno purificado 　 En el país, originalmente se utilizaba el método de purificación con ácido sulfúrico concentrado. La desventaja de este método es que se generan grandes cantidades de ácido residual que son difíciles de tratar, además de requerir una alta cantidad de energía y tener un rendimiento bajo. En la década de 1980 se desarrolló el método de cristalización por etapas en operación intermitente, el cual fue ampliamente utilizado. En los últimos años, se ha pasado a utilizar la tecnología de proceso “Praobd”, que permite la cristalización por separación en cajas. La tasa de producción de naftaleno puro es del 90%, y todo el proceso se controla de forma automática y continua según un procedimiento establecido. 　　3.7 Técnicas de refinación del fenol grosero 　En el país, se utiliza comúnmente un proceso que consiste en deshidratación a presión atmosférica, posterior eliminación de impurezas mediante reducción de presión y, finalmente, destilación. El producto obtenido con este método tiene una calidad deficiente. Se ha adoptado un proceso que utiliza 5 columnas para la destilación continua de deshidratación y eliminación de residuos; la sexta columna funciona de forma intermitente. Todas las torres operan en condiciones de reducción de presión. La tasa de recuperación del fenol es del 42%, lo que representa un 10% más que en el país. La calidad del producto es excepcional: existe fenol de alta pureza (con punto de cristal por encima de 40 °C), catecol (con punto de cristal por encima de 29 °C), metacatecol y dimetilcatecol, entre otros. 　　3.8 Técnicas de refinamiento del piridina en bruto y la quinolina en bruto. En el país, se utiliza solución de hidróxido de sodio para neutralizar y descomponer la quinolina sulfúrica; en el extranjero, se prefiere utilizar amoníaco líquido con ese fin. El refinamiento tanto del piridina en bruto como de la quinolina en bruto se realiza mediante procesos de operación intermitente, deshidratación por ebullición conjunta y destilación a presión reducida. A diferencia de lo que ocurre a nivel nacional, el equipo utilizado cuenta con 6 torres para la deshidratación intermitente y destilación al vacío, además de contar con un enfriador por aire, lo que permite ahorrar agua para refrigeración. 　　3.9 Técnicas de producción de antraceno puro, carbazol puro y antracquinonas. En el país, se utiliza antraceno en bruto como materia prima; este se procesa mediante destilación con solventes para obtener antraceno puro. A continuación, se procede a su oxidación catalítica para obtener antracquinonas. Baosteel ha adoptado la tecnología Praobcl, que consiste en utilizar aceite de antraceno como materia prima. Primero se añade un disolvente para realizar la cristalización distribuida (es decir, el método de cristalización por disolvente). Luego se procede a la destilación a baja presión, lo que permite obtener antraceno puro (con un contenido de antraceno del 95% o más) y carbazol puro (con una pureza del 90% o más). El proceso de producción de antraceno es una tecnología de la empresa suiza Ciba Geigy; mediante oxidación catalítica en lechos fijos en varias etapas y enfriamiento en múltiples fases, se obtiene antraceno con una pureza superior al 99%. En comparación con el país, el nivel en cuanto a procesos y equipos también es similar. Se caracteriza por que el proceso de producción genera muy pocos residuos líquidos, los cuales pueden ser enviados a un sistema de lodos activos para su tratamiento. La cantidad de gases residuales que se generan es mayor, pero estos pueden ser reciclados y filtrados, y posteriormente destruidos en dispositivos especiales para su eliminación, por lo que no representan un peligro para el medio ambiente. 　　4 Conclusión El nivel de procesamiento avanzado del alquitrán de carbón depende de las inversiones y del mercado. En general, a medida que aumenta el grado de procesamiento, el valor agregado del producto también aumenta, al mismo tiempo que se incrementan las inversiones necesarias. En el procesamiento avanzado, es necesario tener en cuenta la flexibilidad de los equipos, y ajustar oportunamente las variedades y calidad del producto según las necesidades del mercado. El procesamiento centralizado del alquitrán de carbón es una tendencia inevitable en el desarrollo de la industria moderna. También se trata de una política tecnológica. La dirección futura consiste en mejorar el uso eficiente de los recursos, ampliar la variedad de productos, realizar un procesamiento más profundo, diversificar la estructura de los productos, dedicarse al desarrollo de nuevos productos, reducir la contaminación, fortalecer el intercambio de información tanto a nivel nacional como internacional, abrirse más al exterior, aumentar la atracción de inversiones y así dar impulso al desarrollo de las empresas. Además, es necesario crear redes de colaboración en materia de información y tecnología relacionadas con los productos derivados del alquitrán de carbón. Fortalecer la colaboración entre las empresas de cokificación del carbón, los centros de investigación y enseñanza, y las instituciones de investigación de información, para lograr un uso racional de los recursos.