石炭液化

石炭液化は、石炭を液体炭化水素（液体燃料や石油化学製品）に変換するプロセスです。このプロセスは「石炭からX」または「炭素からX」と呼ばれることが多く、Xはさまざまな炭化水素ベースの製品です。ただし、最も一般的なプロセスチェーンは「石炭から液体燃料」（CTL）です。^[1]

石炭液化はもともと20世紀初頭に開発されました。^[2]最もよく知られているCTLプロセスはフィッシャー・トロプシュ合成（FT）であり、 1920年代にカイザーヴィルヘルム研究所の発明者フランツ・フィッシャーとハンス・トロプシュにちなんで名付けられました。 ^[3] FT合成は間接石炭液化（ICL）技術の基礎となっています。同じくドイツの化学者であるフリードリヒ・ベルギウスは、1913年に褐炭を合成油に変換する方法として直接石炭液化（DCL）を発明しました。

石炭液化は、アドルフ・ヒトラーの1936年の4ヵ年計画の重要な部分であり、第二次世界大戦中はドイツ産業の不可欠な部分となった。^[4] 1930年代半ばには、IGファルベンやルールヘミーなどの企業が石炭由来の合成燃料の工業生産を開始した。これにより、第二次世界大戦の終わりまでに、水素化を使用するDCLプラント12基とフィッシャー・トロプシュ合成を使用するICLプラント9基が建設された。合計で、CTLは1940年代にドイツの航空燃料の92％と石油供給の50％以上を供給した。^[2] DCLプラントとICLプラントは、競合するのではなく、効果的に相互に補完した。その理由は、石炭の水素化では航空機や自動車用の高品質のガソリンが得られるのに対し、FT合成では主に高品質のディーゼル油、潤滑油、ワックスと、少量の低品質の自動車ガソリンが生産されるためである。 DCLプラントもより発達しており、褐炭（ドイツの多くの地域で唯一入手可能な石炭）はFT合成よりも水素化の方が適していた。戦後、ドイツは1945年のポツダム会議で合成燃料の生産が禁止されたため、合成燃料の生産を断念しなければならなかった。 ^[4]

南アフリカは1950年代に独自のCTL技術を開発した。南アフリカ石炭石油ガス公社（サソル）は、継続的な経済発展と自立のためには不可欠であると南アフリカ政府が考えた工業化プロセスの一環として、1950年に設立された。^[5]当時、南アフリカには国内に石油埋蔵量が知られておらず、そのため、時期や理由は様々であったものの、国外からの供給途絶に対して非常に脆弱であった。サソルは、外国の石油への依存度が高まることから国の国際収支を守る効果的な方法であった。長年にわたり、その主力製品は合成燃料であり、この事業は国内のエネルギー安全保障への貢献により、アパルトヘイト時代の南アフリカ政府から多大な保護を受けていた。^[6]一般に、石炭から石油を生産する方が天然石油から生産するよりもはるかにコストがかかったが、この分野で可能な限り独立を達成することの政治的、経済的重要性は、いかなる反対も克服するのに十分であった。国内外の民間資本を誘致する初期の試みは失敗に終わり、石炭液化は政府の支援があって初めて開始できた。CTL は南アフリカの国家経済において引き続き重要な役割を果たし、国内の燃料需要の約 30% を供給した。1990年代の南アフリカの民主化により、サソルは世界市場でより競争力のある製品を模索することになった。新世紀に入って、同社は主に石油化学事業と、フィッシャー・トロプシュ合成の専門知識を使用して天然ガスを原油に変換する ( GTL ) 取り組みに注力していた。

CTL 技術は第二次世界大戦以降着実に進歩してきました。技術開発の結果、さまざまな種類の石炭を扱えるさまざまなシステムが生まれました。しかし、石炭から液体燃料を生成する事業はごくわずかで、そのほとんどは ICL 技術に基づいています。最も成功したのは南アフリカの Sasol です。CTL は、石油価格の上昇とピークオイルへの懸念により、計画担当者が液体燃料の既存のサプライチェーンを再考した 2000 年代初頭に、石油依存を減らすための緩和策として新たな関心を集めました。^[要出典]

具体的な液化技術は、一般的に直接液化（DCL）プロセスと間接液化（ICL）プロセスの2つのカテゴリに分類されます。直接プロセスは、炭化、熱分解、水素化などのアプローチに基づいています。^[7]

間接液化プロセスでは、一般的に石炭をガス化して一酸化炭素と水素の混合物（合成ガスまたは単に合成ガスと呼ばれることが多い）を生成します。フィッシャー・トロプシュ法を使用すると、合成ガスは液体炭化水素に変換されます。^[8]

対照的に、直接液化プロセスは、中間段階に頼ることなく、しばしば高圧高温下で水素供与性溶媒を用いて石炭の有機構造を分解することにより、石炭を直接液体に変換します。 ^[9]液体炭化水素は一般に石炭よりも水素と炭素のモル比が高いため、ICLとDCLの両方の技術で水素化または炭素除去プロセスのいずれかを採用する必要があります。^[要出典]

工業規模（つまり1日数千バレル）の石炭液化プラントでは、通常数十億ドルの資本投資が必要になります。^[10]

炭化プロセスは数多く存在します。炭化変換は、通常、熱分解または破壊蒸留によって行われます。凝縮可能なコールタール、油と水蒸気、非凝縮性の合成ガス、および固体残留物である炭化物が生成されます。^[要出典]

炭化の典型的な例としては、カリック法が挙げられます。この低温炭化法では、石炭は空気のない状態で680°F（360°C）から1,380°F（750°C）に加熱されます。これらの温度は、通常のコールタールよりも軽い炭化水素を豊富に含むコールタールの生成を最適化します。ただし、生成される液体のほとんどは副産物であり、主製品はセミコークス（煙の出ない固体燃料）です。^[2]

FMC Corporationが開発した COED プロセスでは、流動床を使用して処理を行い、4 段階の熱分解により温度を上昇させます。生成された炭化物の一部を燃焼させて発生する高温ガスによって熱が伝達されます。このプロセスの改良版である COGAS プロセスでは、炭化物のガス化が追加されています。^[11] TOSCOAL プロセスは、TOSCO II オイルシェール乾留プロセスや、シェールオイル抽出にも使用されるLurgi-Ruhrgas プロセスに類似しており、熱伝達に高温のリサイクル固体を使用します。^[11]

熱分解法とカリック法による液体収率は、合成液体燃料の生産に実用するには低すぎると一般的に考えられています。^[12]熱分解で得られるコールタールと油は、通常、自動車燃料として使用できるようになるまでにさらに処理が必要です。水素化処理によって硫黄と窒素種を除去し、その後最終的に液体燃料に加工されます。^[11]

要約すると、この技術の経済的実現可能性は疑問である。^[10]

水素化プロセスによって石炭を液体に直接変換する主な方法の1つは、1913年にフリードリヒ・ベルギウスによって開発されたベルギウス法です。このプロセスでは、乾燥した石炭をプロセスからリサイクルされた重油と混合します。通常、混合物に触媒が追加されます。反応は400°C（752°F）から500°C（932°F）および20〜70MPaの水素圧で発生します 。 反応は次のように要約できます。^[7]

${\displaystyle n{\ce {C}}+(n+1){\ce {H2 -> C}}{}_{n}{\ce {H}}_{2n+2}}$

第一次世界大戦後、この技術に基づく工場がドイツでいくつか建設され、第二次世界大戦中はドイツに燃料や潤滑油を供給するために広く使用された。^{[13]ドイツの}ルールコーレ社とVEBA社によって開発されたコールエル法は、ドイツのボトロップに建設された1日あたり200トンの褐炭を生産する実証工場で使用された。この工場は1981年から1987年まで稼働していた。このプロセスでは、石炭をリサイクル溶剤と鉄触媒と混合する。予熱と加圧の後、H ₂を加える。このプロセスは、管状反応器内で圧力300バール（30 MPa）、温度470℃（880°F）で行われる。^[14]このプロセスは南アフリカのSASOL社でも研究された。 ^[要出典]

1970年代から1980年代にかけて、日本企業の日本鋼管、住友金属工業、三菱重工業がNEDOLプロセスを開発しました。このプロセスでは、石炭をリサイクル溶剤および合成鉄ベース触媒と混合し、予熱後にH ₂を追加します。反応は管状反応器で430℃（810℉）から465℃（870℉）の温度、150〜200バールの圧力で起こります。生成された油は品質が低く、徹底的なアップグレードが必要です。^{[14] Hydrocarbon Research, Inc.が1963年に開発したH-Coalプロセスでは、}沸騰床反応器で粉砕石炭をリサイクル液体、水素、触媒と混合します。このプロセスの利点は、溶解と油のアップグレードが単一の反応器で行われること、生成物のH/C比が高いこと、反応時間が速いことです。一方、主な欠点は、ガス収率が高いこと（これは基本的に熱分解プロセスです）、水素消費量が多いこと、不純物のためにボイラー油としてしか油を使用できないことです。^[11]

SRC-IおよびSRC-II（溶剤精製石炭）プロセスはガルフオイルによって開発され、1960年代から1970年代にかけて米国でパイロットプラントとして導入されました。^[14]

原子力公益事業サービス社は、1976年にウィルバーン・C・シュローダーによって特許を取得した水素化プロセスを開発しました。このプロセスでは、乾燥粉砕された石炭が約1重量%のモリブデン触媒と混合されました。^[7]水素化は、別のガス化装置で生成された高温高圧の合成ガスを使用して行われました。このプロセスでは、最終的に合成原油、ナフサ、少量のC ₃ /C ₄ガス、燃料としての使用に適した軽中重量液体（C ₅ -C ₁₀）、少量のNH ₃、およびかなりの量のCO ₂が生成されました。^[15]他の一段階水素化プロセスには、エクソンドナー溶媒プロセス、イムハウゼン高圧プロセス、およびコノコ塩化亜鉛プロセスがあります。^[14]

二段階直接液化法も数多く存在するが、1980年代以降は、H-Coal法を改良した触媒二段階液化法、ブリティッシュ・コール社の液体溶媒抽出法、日本の褐炭液化法のみが開発された。^[14]

中国の石炭採掘会社である神華は、2002年に内モンゴル自治区オルドスに、軽油、液化石油ガス（ LPG ）、ナフサ（石油エーテル）などの液体製品を1日2万バレル（3.2 × 10 ³  m ³ /日）処理できる直接液化プラント（オルドスCTL）を建設することを決定した。最初のテストは2008年末に実施された。2回目のより長いテストキャンペーンは2009年10月に開始された。2011年に神華グループは、直接液化プラントが2010年11月以来継続的かつ安定的に稼働しており、2011年の最初の6か月で神華がこのプロジェクトで8億元（1億2510万ドル）の税引き前利益を上げたと報告した。^[16]^

シェブロン社は、ジョエル・W・ローゼンタールが発明したシェブロン石炭液化プロセス（CCLP）と呼ばれるプロセスを開発した。^[17]このプロセスは、非触媒溶解装置と触媒水素化処理ユニットを密接に結合したユニークなプロセスである。生産された油は、他の石炭油と比較してユニークな特性を持っていた。より軽く、ヘテロ原子不純物がはるかに少なかった。このプロセスは1日あたり6トンのレベルまでスケールアップされたが、商業的には実証されていない。^[要出典]

間接石炭液化（ICL）プロセスは2段階で行われます。第1段階では、石炭が合成ガス（COとH ₂ガスの精製混合物）に変換されます。第2段階では、合成ガスが3つの主なプロセス（フィッシャー・トロプシュ合成、メタノール合成とその後のガソリンまたは石油化学製品への変換、およびメタン化）のいずれかを使用して軽質炭化水素に変換されます。フィッシャー・トロプシュはICLプロセスの中で最も古いものです。

メタノール合成プロセスでは、合成ガスがメタノールに変換され、その後、ゼオライト触媒上でアルカンに重合されます。このプロセスは、MTG（「メタノールからガソリン」の略）と呼ばれ、 1970年代初頭にモービルによって開発され、中国山西省の金城無煙炭鉱グループ（JAMG）の実証プラントでテストされています。このメタノール合成に基づいて、中国はオレフィン、MEG、DME、芳香族などを生産する強力な石炭化学品産業も開発しました。

メタン化反応は合成ガスを代替天然ガス（SNG）に変換する。ノースダコタ州ビューラにあるグレートプレーンズガス化プラントは、石炭からSNGに変換する施設で、1日あたり1億6000万立方フィートのSNGを生産しており、1984年から稼働している。^[18]中国、韓国、インドでは、いくつかの石炭からSNGに変換するプラントが稼働中またはプロジェクト中である。

ガス化の別の応用例としては、合成ガスから抽出した水素を窒素と反応させてアンモニアを生成する方法がある。その後、アンモニアは二酸化炭素と反応して尿素を生成する。^[19]

上記の間接石炭液化プロセスに基づく商業プラントの例、および計画段階や建設中のものを含むここに記載されていない他の多くの例は、ガス化技術協議会の世界ガス化データベースにまとめられています。^[20]

通常、石炭液化プロセスは、ガス化プロセスや、液化反応器への必要なプロセス熱と電力入力の生成から大量のCO2排出を伴い、_[ ^10]人為的な地球温暖化に寄与する温室効果ガスを放出します。これは、石炭液化が炭素回収・貯留技術なしで行われる場合に特に当てはまります。 ^[21] CTLプラントの技術的に実現可能な低排出構成があります。^[22]

水ガス転化反応や水蒸気メタン改質における大量の水消費も環境への悪影響の一つである。^[10]

炭素回収・貯留実証プロジェクトを実施している内モンゴルのプラント、エルドスCTLにおけるCO2排出抑制には、年間10万トンの割合で、エルドス盆地の塩水帯水層にCO2を注入することが含まれる_。 [ 23 ] [第三者_情報^{源が必要]} 2013年10月下旬の時点で、2010年以来の累積注入量は154,000トンに_達し、設計値に達するかそれを上回った。^{[24] [第三者情報源が必要]}

米国では、カリフォルニア州で制定された再生可能燃料基準や低炭素燃料基準などにより、低炭素フットプリント燃料の需要が高まっています。また、米国の法律では、2007年のエネルギー独立安全保障法（EISA）第526条で義務付けられているように、軍による代替液体燃料の使用は、ライフサイクル全体での温室効果ガス排出量が従来の石油ベースの同等燃料と同等かそれ以下であることが実証されたもののみに制限されています。^[25]

米軍は代替燃料の使用を促進する積極的なプログラムを実施しており^[26]、米国国内の膨大な石炭埋蔵量を利用して石炭液化による燃料生産を行うことは、明らかに経済的、安全保障上の利点がある。しかし、石炭液化燃料は炭素排出量が多いため、ライフサイクル全体での温室効果ガス排出量を競争力のあるレベルまで削減するという大きな課題に直面しており、効率を高めて排出量を削減するための液化技術の継続的な研究開発が必要である。研究開発には、以下を含むいくつかの方法がある。

• 石炭からの液体燃料の合成と利用の両方から排出される排出量を相殺するための石油回収強化とCCS開発手法を含む炭素回収・貯留、
• 石炭液化のための石炭/バイオマス/天然ガス原料ブレンド：石炭液化プロセスでカーボンニュートラルなバイオマスと水素を豊富に含む天然ガスを共原料として利用することで、燃料製品のライフサイクルGHG排出量を競争力のある範囲にまで引き下げる大きな可能性が生まれます。
• 再生可能エネルギー由来の水素：石炭液化プロセスの水素需要は、風力、太陽光、バイオマスなどの再生可能エネルギー源を通じて供給される可能性があり、従来の水素合成方法（水蒸気メタン改質や炭化ガス化など）に関連する排出量を大幅に削減します。
• フィッシャー・トロプシュ法の強化、ハイブリッド液化プロセス、酸素製造に必要なより効率的な空気分離技術（セラミック膜ベースの酸素分離など）などのプロセス改善。

2014年以来、米国エネルギー省と国防総省は、コスト効率が良く、EISAセクション526に準拠したジェット燃料に重点を置いた軍用仕様の液体燃料を生産するための石炭液化の分野での新たな研究開発を支援するために協力してきました。^[27]この分野で進行中のプロジェクトは、米国エネルギー省国立エネルギー技術研究所の石炭および石炭バイオマスから液体へのプログラムの先進燃料合成研究開発領域で説明されています。

毎年、石炭転換の研究者や開発者は、業界から世界炭素転換賞を受賞しています。2016年の受賞者は、インドのジンダルスチール＆パワー社ガス化＆CTL担当エグゼクティブディレクターのジョナ・ピレイ氏です。2017年の受賞者は、中国の神華寧夏石炭グループ副総経理のヤオ・ミン博士です。^[28]

商業開発の面では、石炭への転換が急速に進んでいる。^[29]地理的に見ると、現在進行中のプロジェクトや最近稼働を開始した事業のほとんどはアジア、主に中国にあり、一方、米国のプロジェクトはシェールガスやシェールオイルの開発により遅延または中止されている。^[要出典]

• 石炭水スラリー燃料
• バイオマスから液体へ
• 合成燃料公社、廃止された米国公社
• 合成液体燃料プログラム
• 非在来型（石油・ガス）貯留層

• 直接液化プロセス、NETL 公式ウェブサイト
• 間接液化プロセス、NETL 公式ウェブサイト
• 石炭および石炭バイオマスの液体化プログラム、NETL 公式ウェブサイト
• 石炭・鉄鋼研究基金の研究プログラム 世界の石炭から液体への研究開発活動のレビューと欧州におけるさらなる取り組みの必要性 (2.9MB)、52 ページ、2009 年
• World Coal-To-X 公式サイトの Coal To Liquids