Kohlechemie

mini|hochkant|Typische chemische Struktureinheiten der Kohle Kohlechemie, auch Carbochemie genannt, ist die Gesamtheit der chemischen Prozesse und deren Produkte, für die Kohle (Braun- oder Steinkohle) der Rohstoff ist. Die Prozesse umfassen Entgasungsverfahren (Verkoken und Schwelen), Kohlehydrierung (Fischer-Tropsch- und Bergius-Pier-Verfahren), Kohlevergasung und spezielle Extraktionsverfahren. Diese Verfahren werden oft als Kohleveredlung bezeichnet. Carbochemie ist in vielen Ländern neben Petrochemie die wichtigste Grundlage der chemischen Großindustrie.

Geschichte Erste Anfänge der Kohlechemie gehen auf das 16. Jahrhundert zurück. Damals wurden große Mengen an Holzkohle für die Verhüttung von Eisenerzen benötigt: Zum Erschmelzen einer Tonne Eisen brauchte man 30 Tonnen Holzkohle. Die Wälder um die Hütten herum wurden oft nicht nachhaltig genutzt, sondern abgeholzt. Es gab Holznot. Darum wurde die Verwendung von Steinkohle studiert. Der Gehalt an flüssigen und festen Nebenbestandteilen machte die Verwendung von reiner Kohle schwierig. Die Kohle wurde zunächst wie Holz in Kohlenmeilern behandelt, um Koks herzustellen.

Um das Jahr 1684 entdeckte John Clayton, dass Leuchtgas der Kohle brennbar war. Er beschrieb seine Entdeckung in den Philosophical Transactions of the Royal Society im Jahr 1735.Walter T. Layton: The Discoverer of Gas Lighting: Notes on the Life and Work of the Rev. John Clayton, D.D., 1657–1725. London 1926. Zu Beginn des 18. Jahrhunderts entwickelte Abraham Darby den Prozess der Steinkohleverkokung im Koksofen. Mit der Erfindung geschlossener Backöfen im Jahr 1756 gelang es, die Produktion von Koks entscheidend zu verbessern.

1785 beleuchtete Jan Piter Minckelers einen Hörsaal der Universität Löwen mit Gas aus Kohle.Allgemeines rund ums Gas. Die hochviskosen Kohleteere wurden bald im Schiffbau zum Abdichten eingesetzt. Zu Beginn des 19. Jahrhunderts bildeten sich erste industrielle Strukturen für Produkte der Kohlechemie. In Freiberg (Sachsen) wurde im Jahr 1811 die erste Straßenlaterne mit Gas betrieben; 1812 wurde in London das erste Gaswerk eröffnet. Um 1860 gab es in Deutschland bereits 320 Gaswerke. Man verwendete das Gas zur Beleuchtung, im Haushalt, für die Energieversorgung und als Rohstoff für die chemische Industrie.

Das Koppelprodukt Koks fiel in großer Menge an. Durch die Vergasung von Koks mit Luft und Wasserdampf entstand Wassergas, das den Kokereigasen zugemischt wurde. Mit zunehmendem Bedarf der chemischen Industrie an wasserstoff- und kohlenstoffmonoxidhaltigen Gasen wurden in Deutschland mehrere großtechnische Vergasungsverfahren entwickelt. Fritz Winkler entwickelte bei der BASF um 1926 die Wirbelschichtvergasung; im Jahr 1930 wurde die Lurgi-Druckvergasung entwickelt. Zwanzig Jahre später folgte der Flugstromvergaser nach Koppers-Totzek (→ Koppers-Totzek-Reaktor).

Im Zuge der Autarkiebestrebungen nach dem Ersten Weltkrieg basierte speziell die deutsche Mineralölwirtschaft auf der auf beachtlichem technischen Niveau befindlichen Kohleveredlung. Sie lieferte Kraftstoffe wie das Leuna-Benzin, Heizöl, Schmieröle, Bitumina, Koks, Paraffine und Wachse, also die gesamte klassische Mineralölproduktpalette. Nach Beendigung des Zweiten Krieges ging in Westdeutschland die Bedeutung der Carbochemie mit dem Aufkommen des billigeren und einfacher zu verarbeitenden Rohstoffs Erdöl stark zurück. Hingegen wurden in der SBZ und späteren DDR große Anstrengungen unternommen, trotz umfangreicher Zerstörungen und zu leistender Reparationslieferungen die Produktion in carbochemischen Betrieben möglichst schnell wiederaufzunehmen. Bis 1990 betrieben die Industriewerke beispielsweise in Espenhain, Böhlen, Schwarzheide und Zeitz in großem Umfang Kohleverflüssigung.Braunkohlenveredlung in Mitteldeutschland LMBV, abgerufen am 31. Oktober 2022.Vom Erdöl zu Kraft- und Schmierstoffen Deutsches Chemie-Museum Merseburg, abgerufen am 31. Oktober 2022.

Auch Unternehmen in anderen Ländern wie in den USA Kellogg oder in Südafrika Sasol setzten nach dem Zweiten Weltkrieg die Forschung und Entwicklung der Kohlevergasung und Kohlehydrierung intensiv fort. Besonders in Phasen von Energie- und Ölpreiskrisen gewann die Carbochemie in mehreren Industriestaaten immer wieder aufs Neue an Bedeutung.Drucksache 8/3135 Kohleveredlung vom 27. August 1979 Deutscher Bundestag, abgerufen am 31. Oktober 2022.

Gegenwart Moderne Hydrierwerke zur Kohleverflüssigung entstehen seit Beginn des 21. Jahrhunderts unter Anwendung verschiedener Technologien vor allem im asiatisch-pazifischen Raum. Federführend ist hierbei China, das zu den Ländern mit den größten Kohlereserven gehört und mit seiner Kohle rund ein Viertel seines Energiebedarfs deckt. China akquiriert weltweit carbochemisches Knowhow und installiert moderne Kohlekonversions- sowie Kohlevergasungsanlagen. Aber auch zum Beispiel die USA, Russland, Kanada, Indonesien und Australien nutzen entsprechend verfügbare Potentiale. TU Freiberg, abgerufen am 29. Oktober 2022.

Im heutigen Deutschland betreiben noch die Technische Universität Bergakademie Freiberg und das Max-Planck-Institut für Kohlenforschung Grundlagenforschung auf den Gebieten organische und metallorganische Carbochemie unter Einsatz von High-Rank-Kohle und gasförmigen Katalysatoren. Ferner forscht im Kontext seines fossil fuel research program das Center for Applied Energy Research (CAER) der University of Kentucky an der stofflichen Nutzung von Kohle. Es betreibt die größte frei zugängige Coal-to-Liquid-Testanlage in der Welt. Dort werden unter anderem ebenfalls Katalysatoren untersucht, die umweltfreundlich Syngas in Paraffin, Diesel und Flugtreibstoffe umwandeln sollen.

So ist insbesondere die Herstellung von Synthesegas für die chemische Industrie aus Kohle wirtschaftlich relativ günstig, da Synthesegas bei den meisten Verfahren der Gaserzeugung aus Kohle direkt entsteht, während es aus Erdgas- oder Mineralölfraktionen durch Spaltung hergestellt werden muss. Hintergrund der Forschung ist zudem, dass Kohle nach Erdöl unverändert der wichtigste globale Energieträger – noch vor Erdgas, Wasserkraft und Kernenergie – ist. Die weltweit verfügbaren Kohlereserven umfassen mehr als 65 Prozent der gesamten Vorräte an fossilen Energieträgern. Eine umweltverträgliche Nutzung dieser Ressourcen zur Ergänzung und Substitution flüssiger und gasförmiger Kohlenwasserstoffe ist nach gängiger Lehrmeinung auf lange Sicht unumgänglich.Carl-Jochen Winter, Joachim Nitsch: Wasserstoff als Energieträger. Technik, Systeme, Wirtschaft. Springer-Verlag, 2013, S. 71.

Verfahren der Kohlechemie Die Kohlenchemie lässt sich in die Entgasungs-, Vergasungs- und Verflüssigungsverfahren unterteilen. Beim Erhitzen von festen Brennstoffen unter Luftausschluss werden diese zersetzt unter Abspaltung von flüssigen und gasförmigen Produkten und einem festen Rückstand, dem Koks. Das am häufigsten angewandte Entgasungsverfahren ist die Verkokung von Steinkohle.

Verkokung

Verkokung ist im engeren Sinne die Hochtemperaturverkokung von Steinkohle, die bei Temperaturen von bis zu 1150 °C beendet ist. Das Hauptprodukt der Verkokung ist je nach Prozess entweder der entstehende Koks, der vor allem in der Eisengewinnung, der Metallurgie und der Gießereitechnik verwendet wird, oder die Kokereigase. Der Anteil der freigesetzten Kokereigase sowie deren Zusammensetzung hängen von der eingesetzten Kohle sowie den Prozessbedingungen ab. Jüngere Kohlen sind dabei für die Gaserzeugung vorteilhaft.

Die Verkokung lässt sich in mehrere Temperaturbereiche unterteilen. Bis zu Temperaturen von circa 350 °C findet die Vorentgasung statt. Die Vorgänge sind zunächst physikalischer Natur und bestehen in der Trocknung der Kohle sowie der Desorption von Stickstoff, Sauerstoff und Methan. Ab etwa 250 °C beginnt die thermische Spaltung unter Freisetzung von leichten Paraffinen und Aromaten.Kohle, Erdöl, Erdgas: Chemie und Technik; von Karl-Heinz Schmidt, Ingo Romey, Fritz Mensch, 256 Seiten, Vogel Verlag(1981), ISBN 3-8023-0684-8.

Im Temperaturbereich von 350 °C bis 425 °C findet die Mittelentgasung statt, bei der weitere Paraffine und Aromaten freigesetzt werden. Außerdem wird die Kohle plastisch und bläht sich auf.

In der nachfolgenden Hauptentgasung fällt die Hauptmenge des Gases an, wobei Naphthene, Paraffine, Aromaten und Phenole freigesetzt werden. Die Kohle verfestigt sich wieder und es beginnt die Halbkoksbildung. Ab circa 850 °C zerfallen die Kohlenwasserstoffe in ihre Bestandteile Kohlenstoff und Wasserstoff. In der Nachentgasung bis 1000 °C wird Ammoniak freigesetzt und es findet die Polymerisation von Alkenen zu Aromaten statt. Das Gas wird nach Abtrennung von Ammoniak und Teer und Benzol als Brenngas in den Prozess zurückgeführt.

Je nach Zielprodukt werden Kokerei- und Gaserzeugungsöfen unterschieden. Kokereiöfen nutzen einen Großteil des erzeugten Gases zu Eigenenergieversorgung, wogegen Gaserzeugungsöfen mit Schwachgasen aus anderen Prozessen beheizt werden.

Verschwelung

Braunkohle, Lignin, Torf und Ölschiefer werden bei 450 bis 600 °C verschwelt. (PDF; 62 kB), Kurzbericht der Arbeitsgruppe Energierohstoffe des BMWi, Abteilung III. Produkte sind Schwelkokse sowie Schwelteere und -öle. Der entstehende Koks ist wasserstoffreicher als die Hochtemperaturkokse.

Kohleverflüssigung

Im Jahr 1913 gelang Friedrich Bergius bei Versuchen erstmals, Kohle durch Hydrierung im Autoklav bei Temperaturen von 400 bis 500 °C und Wasserstoffdrücken von 100 bis 200 bar in ein Öl umzuwandeln. Im Jahr 1925 gelang es Matthias Pier, das Bergius-Verfahren durch Einsatz von Katalysatoren wie Zinnoxalat und Eisensalzen zu optimieren. Schon 1927 wurde eine Versuchsanlage mit einer Kapazität von 100.000 Tonnen pro Jahr in den Leuna-Werken in Betrieb genommen. In Deutschland wurden in den darauf folgenden Jahren bis zum Ende des Zweiten Weltkriegs mehrere Hydrierwerke gebaut, das größte betrieb die Hydrierwerke Pölitz AG in der Nähe von Stettin.Rainer Karlsch, Raymond G. Stokes: Faktor Öl. Die Mineralölwirtschaft in Deutschland 1859–1974. Beck, München 2003, S. 193–197.

Seit 2006 betreibt China Shenhua Energy das mit einem Investitionsvolumen von über zwei Milliarden Dollar in Ejinhoro-Banner fertiggestellte größte Hydrierwerk der Welt.. Abgerufen am 31. Oktober 2022.

Kohlevergasung

Die Kohlevergasungsverfahren werden als Festbett-, Wirbelbett- oder Flugstromvergasung durchgeführt. Die Verfahren unterscheiden sich in der eingesetzten Korngröße der Kohle, deren Zerkleinerungsaufwand maßgeblich zu den Gesamtkosten des Verfahrens beiträgt. Im Festbettverfahren kann grobkörnige Kohle eingesetzt werden mit typischen Korngrößen von 6 bis 40 mm. Das Wirbelschichtverfahren erfordert Korngrößen im Bereich von 1 bis 8 mm, das Flugstaubverfahren benötigt Korngrößen von unter 0,1 mm. Neben der Körnung ist die chemische Beschaffenheit der eingesetzten Kohlen, etwa der Ascheanteil und das Backvermögen, von Bedeutung.

Die Kohlevergasung wird als autothermer Prozess mit Wasserdampf und Luft oder Sauerstoff durchgeführt. Die Energie für die endotherme Wassergasreaktion wird durch die Verbrennung eines Teils der Kohle zugeführt. Der Kohle werden zur Reduktion des Schwefelgehaltes im Gas Kalk oder basische Alkalisalze zugegeben. Der erste Schritt der Kohlechemie stellt die Wassergas-Reaktion dar: Dazu wird auf Weißglut erhitzte Kohle mit Wasserdampf begast und in Kohlenmonoxid und Wasserstoff umgewandelt.

Je nach Art der eingesetzten Kohle werden verschiedene Kohlevergasungstechniken angewendet. Eines der ältesten Verfahren ist die von Fritz Winkler entwickelte Wirbelschichtvergasung im Winkler-Generator. Das Verfahren ist geeignet für Braunkohle und wird im Temperaturbereich von 850 bis 1100 °C durchgeführt.