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1 - VOIE INDIRECTE

2 - VOIE DIRECTE

3 - GESTION DE L'HYDROGÈNE

4 - PERFORMANCES GLOBALES DE LA FILIÈRE LIQUÉFACTION

Article de référence | Réf : J5210 v1

Voie directe
Liquéfaction du charbon (CTL)

Auteur(s) : Raphael HUYGHE, Pierre MARION, Magalie ROY-AUBERGER

Relu et validé le 01 févr. 2016

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RÉSUMÉ

Technologie ancienne, qui produisait à l’époque des carburants et des bases pour la chimie, la liquéfaction du charbon revient à l’ordre du jour pour sécuriser notre approvisionnement énergétique futur. Les technologies antérieures ont été revues et améliorées en vue de doter le liquéfiat des spécifications requises. Dans la voie directe, un réacteur d’hydroconversion convertit directement le charbon, préalablement broyé et dissout, en liquide. Dans la voie indirecte, le charbon est tout d’abord transformé en gaz de synthèse, puis en un mélange d’hydrocarbures paraffiniques, avant une étape finale d’hydrocraquage isomérisant. Ces deux procédés analytiques présentent des rendements et qualités de produits légèrement différents, pour autant ils ont en commun la problématique de l’émission des gaz à effet de serre.

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ABSTRACT

Coal liquefaction, an old technology, which in the past produced fuels and bases for chemistry, is currently used in order to secure our future energy supply. Previous technologies have been improved to provide the liquefiat with the required specifications. In the direct route, a hydroconversion reactor directly converts coal, which has been previously crushed and dissolved in liquid. In the indirect route, coal is first converted into synthesis gas and then into a mixture of paraffinic hydrocarbons, before a final stage of isomerizing hydrocracking. Although these two analytical processes have slightly different yields and qualities of products, they both raise the issue of greenhouse gas emissions.

Auteur(s)

INTRODUCTION

La liquéfaction du charbon « Coal to Liquid ou CTL » est une technologie ancienne, initialement développée pendant la première moitié du XXe siècle, qui produit des carburants de type diesel ou essence et/ou des bases pour la chimie à partir du charbon. Dans l'ère du pétrole roi, seuls des contextes géopolitiques très particuliers ont pu justifier l'industrialisation de cette filière (voir encadré historique) : le prix de revient des carburants de synthèse était beaucoup plus élevé que celui des carburants pétroliers en raison des forts niveaux d'investissements requis et du prix – alors faible – du pétrole brut. Aujourd'hui, la prise de conscience de la relative raréfaction du pétrole et du gaz naturel, ainsi que les cours historiques qu'ils ont atteints pendant l'année 2008 provoque un regain d'intérêt pour la liquéfaction du charbon sur fond de sécurité d'approvisionnement et de diversification énergétique. Le charbon constitue un candidat incontournable au remplacement du pétrole sous réserve de la mise en œuvre de technologies de captage de stockage du CO2 émis en grande quantité par la filière.

Chimiquement, tout l'enjeu de la liquéfaction consiste à tripler la teneur en hydrogène du charbon (rapport atomique H/C inférieur à 1) jusqu'à des valeurs compatibles avec les spécifications des carburants pétroliers (rapport H/C de l'ordre de 2).

Deux familles de procédés catalytiques ont été développées pour pallier à l'insuffisance des technologies antérieures basées sur des procédés purement thermiques (cokéfaction ou pyrolyse) en termes de quantité et de qualité du liquéfiat.

– Dans la voie directe, le charbon, préalablement broyé et dissout dans un solvant organique, est envoyé dans un réacteur d'hydroconversion qui le convertit directement en liquide. Ce liquide, riche en aromatiques, est envoyé dans une unité d'hydrogénation profonde et/ou d'hydrocraquage pour en faire des carburants aux spécifications requises.

– Dans la voie indirecte, le charbon broyé est tout d'abord converti en un mélange H2 + CO appelé gaz de synthèse (procédé de gazéification), puis en un mélange d'hydrocarbures paraffiniques, via le procédé Fischer-Tropsch, qui subit une étape finale d'hydroisomérisation et/ou d'hydrocraquage.

Abréviations utilisées

ASF : Anderson-Schultz-Flory

ASU : unité de production d'oxygène par séparation de l'air Pour les capacités élevées nécessitées par la liquéfaction du charbon, cette séparation est généralement basée sur une distillation cryogénique

Claus : unité transformant les gaz acides issus de la décomposition des molécules soufrées (essentiellement des mélanges eau, NH3 et H2S) en soufre solide

CTL (Coal to Liquid ) : liquéfaction du charbon

DSV : distillat sous vide (fraction d'hydrocarbures généralement d'origine pétrolière dont la température d'ébullition est habituellement comprise entre 350 et 550 oC), ou colonne de distillation sous vide produisant ce distillat sous vide

EDS : procédé Exxon pour la liquéfaction directe

ETBE : éthyl tertio butyl éther

FRAC : fractionnement primaire (distillation sous pression atmosphérique)

FT : Fischer-Tropsch. Procédé de synthèse de paraffines à partir d'un mélange H2 + CO appelé « gaz de synthèse »

GES : gaz à effet de serre, en pratique dans cette fiche, le CO2 et le méthane

GPL (LPG en Anglais) : gaz de pétrole liquéfiés, c'est-à-dire mélange de propane et de butane

HDC : hydrocraquage (utilisé comme traitement de finition dans la liquéfaction directe)

HCI ou HDI : hydrocraquage fortement isomérisant (utilisé comme traitement de finition dans la liquéfaction indirecte)

HDT : hydrotraitement

HTFT : procédé Fischer-Tropsch à haute température

LTFT : procédé Fischer-Tropsch à basse température

maf (masture and ash free ) partie organique du charbon ou charbon sec hors cendres

PSA : Pressure Swing Absorber. Procédé permettant de produire par purification de l'hydrogène de très haute pureté (> 99,9 %) à partir d'un mélange

RA : résidu atmosphérique (fraction d'hydrocarbures lourds généralement d'origine pétrolière dont la température d'ébullition est habituellement supérieure à 350 oC)

RLB : réacteur en lit bouillonnant (étape cœur de la liquéfaction directe)

RSV : résidu sous vide (fraction d'hydrocarbures très lourds généralement d'origine pétrolière dont la température d'ébullition est habituellement supérieure à 550 oC)

SBCR : procédé Fischer-Tropsch à basse température et avec réacteur en slurry (Slurry Bubble Column Reactor )

Slurry : mélange de liquides et de solides. Dans le procédé de liquéfaction du charbon, le mélange poudre de charbon + eau, ou le mélange particules de catalyseur + solvant sont des slurries

SRC 1 et SRC 2 : procédés Gulf Oil pour la liquéfaction directe.

VI : indice de viscosité, utilisé pour caractériser les huiles lubrifiantes. Un indice élevé signifie que la viscosité de l'huile varie peu avec la température du moteur, gage de qualité

Historique

Les premières utilisations du charbon liquéfié datent du début du XXe siècle. Dès l'origine, les développements technologiques relatifs à la liquéfaction du charbon se sont basés sur deux voies de conception radicalement différentes, que l'on retrouve aujourd'hui :

  • une voie dite « directe », s'appuyant sur les travaux de Bergius entre 1910 et 1927 en Allemagne ;

  • une voie dite « indirecte », basée sur les travaux de deux chimistes, eux aussi allemands, Hans Fischer et Franz Tropsch (brevet BASF de 1913). Ils réussissent dès 1922 à produire un mélange d'alcools, d'aldéhydes, d'acides gras et d'hydrocarbures en passant par un produit intermédiaire, mélange H2 + CO appelé « gaz de synthèse », suivi d'une étape de synthèse sur catalyseur au fer.

La première application industrielle à grande échelle de la liquéfaction du charbon est réalisée pendant la seconde guerre mondiale, toujours en Allemagne. Elle permettra au IIIe Reich d'alimenter la quasi-totalité des avions de la Luftwaffe (soit 600 kt/an essentiellement par le procédé direct) grâce au charbon de la Ruhr, malgré le blocus imposé par les alliés sur l'approvisionnement en pétrole.

À partir de 1955, l'Afrique du Sud, soumise elle aussi à un embargo international lié au régime d'apartheid, installe progressivement via la société Sasol une capacité de production de près de 175 000 b/j (8,8 Mt/an) selon le procédé de liquéfaction indirect, permettant au pays de couvrir plus d'un tiers de ses besoins en combustibles liquides à partir de gisements de charbons locaux.

Enfin, une première tranche de liquéfaction directe de 20 000 b/j (1,0 Mt/an) construite et opérée par le plus gros producteur Chinois de charbon, Shenhua, démarre au premier semestre 2009 en Chine (Mongolie intérieure, région d'Erdos).

Nota :

b pour barils.

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DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-j5210


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2. Voie directe

2.1 Principe

Dans son état actuel de développement, cette technologie est réservée aux charbons de type bitumineux et sub-bitumineux, qui représentent toutefois près de 80 % des réserves actuelles.

Nota :

voir exemples de qualités de charbon dans le dossier [J 5 200] Gazéification du charbon.

Le charbon mélangé à un solvant (figures 10 et 11) est converti dans une unité de liquéfaction catalytique dont les effluents liquides lourds (distillats sous vide DSV, résidu atmosphérique RA, résidu sous vide RSV) sont au moins en partie recyclés en entrée d'unité où ils servent à dissoudre le charbon. La coupe diesel et la coupe naphta, riches en composés cycliques, sont envoyées :

  • soit dans une unité d'hydrotraitement profond (hydrogénation), qui élimine les impuretés principales telles que le soufre et l'azote, les composés oxygénés tels que les phénols, et une partie des composés aromatiques ;

  • soit dans une unité d'hydrocraquage, qui permet un gain en cétane plus important par un mécanisme d'ouverture de cycles.

Après élimination de l'H2S dans une unité Claus, la coupe gaz peut être :

  • soit réutilisée comme charge de vaporéformage, pour produire une partie de l'hydrogène nécessaire à la réaction ;

  • soit brûlée dans les nombreux fours que contient le complexe.

Les coupes lourdes qui ne seraient pas recyclées dans l'unité sont également utilisables comme combustible, ou comme charge d'une unité d'oxydation partielle ou gazéification, toujours dans le but de produire de l'hydrogène. Enfin, dans un schéma « tout charbon », le complément d'hydrogène est assuré par oxydation partielle (à l'oxygène pur produit dans l'unité ASU) d'une quantité...

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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - HIGMAN (C.), VAN DER BURGT (M.) -   Gasification.  -  2nd Edition, Burlington (Mass.), Gulf professional (2008).

  • (2) - STEINBERG (A.), DRY (M.) -   Fischer-Tropsch technology.  -  Studies in Surface Science and catalysis, 152, Amsterdam, Elsevier (2004).

  • (3) - JEC Eucar Concawe -   Well-to-Wheels analysis of future automotive fuels and powertrains in the European context.  -  WTW Report, version 2c, mars 2007.

  • (4) -   *  -  World Congress « Coal to Liquid Conference », Paris (2008).

  • (5) - KALAYDJIAN (F.) , CORNOT-GANDOLPHE (S.)  -   La nouvelle donne du charbon  -  . http://www.fischer-tropsch.org

  • (6) - ROBERT (H.W.), ERIC (D.L.) -   A comparison of direct and indirect liquefaction technologies for making fluid fuels from coal  -  (PDF). Energy for Sustainable Development VII : 103-129, déc. 2003 http://www.ieiglobal.org/ESDVol7No4/dclversussicl.pdf

DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES

1 Sites Internet

World Coal Institute http://www.worldcoal.org/home/

HAUT DE PAGE

2 Événements

Congrès World CTL http://www.world-ctl2010.com

HAUT DE PAGE

3 Performances économiques de la filière CTL

Les performances économiques de la filière CTL sont étroitement liées au cours du charbon, qui reste bon marché par rapport aux autres sources d'énergie,...

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