Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Не путать с синтетическим бензином .
Древесный газ , разновидность синтез-газа, сжигание

Синтез-газ , или синтез-газ , представляет собой смесь топливного газа, состоящую в основном из водорода , монооксида углерода и очень часто диоксида углерода . Название происходит от его использования в качестве промежуточного продукта при создании синтетического природного газа (SNG) [1] и для производства аммиака или метанола . Синтез-газ обычно является продуктом газификации угля, и основное его применение - производство электроэнергии . [ необходима цитата ] Синтез-газ является горючим и может использоваться в качестве топливадвигатели внутреннего сгорания . [2] [3] [4] Исторически он использовался как замена бензину, когда поставки бензина были ограничены; например, древесный газ использовался для питания автомобилей в Европе во время Второй мировой войны (только в Германии было построено или перестроено полмиллиона автомобилей для работы на древесном газе). [5] Однако его плотность энергии вдвое меньше, чем у природного газа . [1]

Синтез-газ можно получить из многих источников, включая природный газ, уголь, биомассу или практически любое углеводородное сырье, путем реакции с паром ( паровой риформинг ), диоксидом углерода ( сухой риформинг ) или кислородом ( частичное окисление ). Это важнейший промежуточный ресурс для производства водорода, аммиака, метанола и синтетического углеводородного топлива. Он также используется в качестве промежуточного продукта при производстве синтетической нефти для использования в качестве топлива или смазочного материала в процессе Фишера-Тропша, а ранее в процессе преобразования метанола в бензин Mobil .

Методы производства включают паровой риформинг природного газа или жидких углеводородов для получения водорода, газификацию угля, [6] биомассы и некоторых типов установок для газификации отходов в энергию .

Производство [ править ]

Химический состав синтез-газа варьируется в зависимости от сырья и процессов. Синтез-газ, получаемый при газификации угля, обычно представляет собой смесь от 30 до 60% окиси углерода, от 25 до 30% водорода, от 5 до 15% двуокиси углерода и от 0 до 5% метана. Он также содержит меньшее количество других газов. [7]

Основная реакция, приводящая к образованию синтез-газа, паровой риформинг , представляет собой эндотермическую реакцию с 206 кДж / моль метана, необходимого для конверсии.

Первая реакция между раскаленным коксом и паром является сильно эндотермической, с образованием монооксида углерода (CO) и водорода H
2( водяной газ в старой терминологии). Когда слой кокса охладится до температуры, при которой эндотермическая реакция больше не может продолжаться, пар заменяется струей воздуха.

Затем протекают вторая и третья реакции, вызывая экзотермическую реакцию - сначала с образованием диоксида углерода и повышением температуры слоя кокса - за которой следует вторая эндотермическая реакция, в которой последняя превращается в монооксид углерода, CO. Общая реакция экзотермический, образующий «генераторный газ» (старая терминология). Затем можно повторно нагнетать пар, затем воздух и т. Д., Чтобы получить бесконечную серию циклов, пока кокс окончательно не израсходуется. Промышленный газ имеет гораздо более низкую энергетическую ценность по сравнению с водяным газом, главным образом из-за разбавления атмосферным азотом. Чистый кислород можно заменить воздухом, чтобы избежать эффекта разбавления, что приведет к образованию газа с гораздо более высокой теплотворной способностью.

При использовании в качестве промежуточного продукта в крупномасштабном промышленном синтезе водорода (в основном используемого для производства аммиака ) он также производится из природного газа (посредством реакции парового риформинга) следующим образом:

Чтобы произвести больше водорода из этой смеси, добавляют больше пара и проводят реакцию конверсии водяного газа :

Водород должен быть отделен от CO.
2чтобы иметь возможность его использовать. В первую очередь это делается с помощью адсорбции с переменным давлением (PSA), очистки амином и мембранных реакторов .

Альтернативные технологии [ править ]

Каталитическое парциальное окисление биомассы [ править ]

Преобразование биомассы в синтез-газ обычно имеет низкий выход. Университет Миннесоты разработал металлический катализатор, который сокращает время реакции биомассы до 100 раз. [8] Катализатор может работать при атмосферном давлении и снижает содержание полукокса. Весь процесс автотермический, поэтому нагрев не требуется. В DTU Energy был разработан другой процесс, который является эффективным и не имеет проблем с загрязнением катализатора (в данном случае катализатора из оксида церия). [9] [10]

Двуокись углерода и метан [ править ]

Двухстадийный метод, разработанный в 2012 году, позволяет получать синтез-газ, состоящий только из моноксида углерода и водорода. На первом этапе метан разлагается при температуре более 1000 ° C, образуя смесь углерода и водорода [11] (реакция: CH 4 + энергия -> C + 2 H 2 ). Предпочтительно плазменный нагреватель обеспечивает нагрев на первом этапе. На втором этапе CO 2 добавляют к горячей смеси углерода и водорода [12] (реакция: C + CO 2 -> 2 CO). Углерод и CO 2 реагируют при высокой температуре с образованием окиси углерода (реакция: C + CO 2-> 2 CO). Таким образом, смесь окиси углерода со второй стадии и водорода с первой стадии образует синтез-газ высокой чистоты, состоящий только из CO и H 2 .

В качестве альтернативы на втором этапе вместо СО 2 можно использовать воду для достижения большего количества водорода в синтез-газе. [13] В этом случае реакция второй стадии следующая: C + H 2 O -> CO + H 2 . Оба метода также позволяют изменять соотношение CO к H 2 . [14]

Двуокись углерода и водород [ править ]

Микроволновая энергия [ править ]

CO 2 можно расщепить на CO, а затем объединить с водородом с образованием синтез-газа [1] . Способ получения окиси углерода из двуокиси углерода путем обработки его микроволновым излучением изучается в рамках проекта по солнечному топливу Голландского института фундаментальных исследований энергии . Утверждается, что этот метод использовался во время холодной войны на российских атомных подводных лодках, чтобы позволить им избавляться от газа CO 2, не оставляя пузырей. [15] Общедоступные журналы, опубликованные во время холодной войны, показывают, что американские подводные лодки использовали обычные химические скрубберы для удаления CO 2 . [16]Документы, опубликованные после затопления « Курска» , подводной лодки класса «Оскар» времен холодной войны , свидетельствуют о том, что на этом судне для удаления углекислого газа использовались скрубберы на основе супероксида калия .

Солнечная энергия [ править ]

Тепло, генерируемое концентрированной солнечной энергией, может использоваться для запуска термохимических реакций с целью расщепления диоксида углерода на оксид углерода или для производства водорода. [17] Природный газ может использоваться в качестве сырья на установке, которая объединяет концентрированную солнечную энергию с электростанцией, работающей на природном газе, дополненном синтез-газом, в то время как солнце светит. [18] [19] [20]

Соэлектролиз [ править ]

За счет совместного электролиза, т. Е. Комбинированного электрохимического преобразования пара ( H2O ) и диоксид углерода ( CO
2) в оксид углерода (CO) с использованием возобновляемой электроэнергии, синтез-газ может производиться в рамках CO
2-сценарий валоризации с учетом замкнутого углеродного цикла . [21]

Электричество [ править ]

В зависимости от технологии, используемой для производства синтез-газа, электричество может быть одним из основных ресурсов.

Использование электричества для извлечения углекислого газа из воды и последующего преобразования водяного газа в синтез-газ было опробовано Лабораторией военно-морских исследований США. Этот процесс становится рентабельным, если цена на электроэнергию ниже 20 долларов за МВтч. [22]

Электроэнергия, произведенная из возобновляемых источников , также используется для переработки диоксида углерода и воды в синтез-газ посредством высокотемпературного электролиза . Это попытка сохранить нейтральный выброс углерода в процессе генерации. Audi в сотрудничестве с компанией Sunfire в ноябре 2014 года открыла пилотный завод по производству электронного дизельного топлива с использованием этого процесса. [23]

Использует [ редактировать ]

Газовое освещение [ править ]

Процессы газификации угля для создания синтез-газа использовались в течение многих лет для производства осветительного газа ( угольный газ ) для газового освещения , приготовления пищи и в некоторой степени для отопления, прежде чем электрическое освещение и инфраструктура природного газа стали широко доступными. [ необходима цитата ]

Энергетическая емкость [ править ]

Синтез-газ, который не подвергается метанизации, обычно имеет более низкую теплотворную способность - 120 БТЕ / куб . Фут . [24] Необработанный синтез-газ можно использовать в гибридных турбинах, которые обеспечивают большую эффективность из-за более низких рабочих температур и увеличенного срока службы деталей. [24]

Губчатое железо [ править ]

Синтез-газ используется для прямого восстановления железной руды до губчатого железа . [25]

Дизель [ править ]

Синтез-газ можно использовать в процессе Фишера-Тропша для производства дизельного топлива или преобразовать, например, в метан , метанол и диметиловый эфир в каталитических процессах.

Если синтез-газ подвергается последующей обработке криогенной обработкой, следует учитывать, что эта технология имеет большие трудности с извлечением чистого монооксида углерода, если присутствуют относительно большие объемы азота из-за того, что оксид углерода и азот имеют очень похожие точки кипения, которые: 191,5 ° C и –195,79 ° C соответственно. Некоторые технологии процесс селективно удаляет окись углерода путем комплексообразования / декомплексацией из окиси углерода с хлоридом одновалентного алюминия ( CuAlCl
4) растворены в органической жидкости, такой как толуол . Очищенный монооксид углерода может иметь чистоту более 99%, что делает его хорошим сырьем для химической промышленности. Отходящий газ из системы может содержать диоксид углерода , азот , метан , этан и водород . Отходящий газ может быть дополнительно переработан в адсорбционной системе с переменным давлением для удаления водорода , а также водорода и окиси углерода.могут быть рекомбинированы в надлежащем соотношении для каталитического производства метанола, дизельного топлива Фишера-Тропша и т. д. Криогенная очистка, будучи очень энергоемкой, не очень хорошо подходит для простого производства топлива из-за значительного снижения чистого выигрыша в энергии . [ необходима цитата ]

Метанол [ править ]

Синтез-газ используется для производства метанола, как в следующей реакции.

Водород [ править ]

Синтез-газ используется для производства водорода для процесса Габера .

Синтез-газ из отходов [ править ]

В период с 1991 по 2000 год было разработано множество систем газификации отходов. [26] [27] Например, городской совет Логана, Австралия, будет использовать процесс газификации отходов для значительного сокращения объема отходов, которые необходимо вывозить на грузовиках с площадки. и производить синтез-газ для питания объекта. После очистки сточных вод для уничтожения вредных патогенов и бактерий оставшиеся твердые биологические вещества будут нагреты до высоких температур для получения смеси синтез-газа, состоящей в основном из водорода, монооксида углерода, метана и диоксида углерода. [28] Синтез-газ, произведенный на объектах газификации отходов в энергию, может использоваться, например, для выработки электроэнергии.

См. Также [ править ]

  • Biochar
  • Биологическая экономика
  • Биотопливо
  • Реакция Будуара
  • Процесс Клауса
  • Угольный газ
  • Промышленный газ
  • Комбинированный цикл интегрированной газификации
  • Частичное окисление
  • Цикл риформинга губчатого железа
  • Ферментация синтез-газа
  • Подземная газификация угля

Ссылки [ править ]

  1. ^ a b Бейчок, М. Р., Технологические и экологические технологии для производства СНГ и жидкого топлива , отчет Агентства по охране окружающей среды США EPA-660 / 2-75-011, май 1975 г.
  2. ^ "Когенерация синтез-газа / комбинированное производство тепла и электроэнергии" . Кларк Энерджи . Проверено 22 февраля +2016 .
  3. ↑ Мик, Джейсон (3 марта 2010 г.). «Зачем бросать это в отходы? Enerkem делает шаг вперед с планами по замене мусора на газ» . DailyTech . Архивировано из оригинала 4 марта 2016 года . Проверено 22 февраля +2016 .
  4. ^ Boehman, André L .; Ле Корре, Оливье (2008). «Сжигание синтез-газа в двигателях внутреннего сгорания». Наука и технология горения . 180 (6): 1193–1206. DOI : 10.1080 / 00102200801963417 . S2CID 94791479 . 
  5. ^ «Машины на древесном газе: дрова в топливном баке» . LOW-TECH MAGAZINE . Проверено 13 июня 2019 .
  6. ^ Beychok, MR, газификации угля и процесс Phenosolvan , Американское химическое общество сто шестьдесят восьмого Национального собрания, АтлантикСити, сентябрь 1974
  7. ^ "Состав синтез-газа" . Национальная лаборатория энергетических технологий Министерства энергетики США . Дата обращения 7 мая 2015 .
  8. ^ «Производство синтез-газа с использованием процесса газификации биомассы» . Университет Миннесоты . Проверено 22 февраля +2016 .
  9. ^ Новый способ получения углеродно-нейтрального топлива из углекислого газа, обнаруженный командой Stanford-DTU
  10. ^ Селективный высокотемпературный электролиз CO2 с участием промежуточных продуктов окисленного углерода
  11. ^ "dieBrennstoffzelle.de - Kvaerner-Verfahren" . www.diebrennstoffzelle.de . Проверено 17 декабря 2019 .
  12. ^ Kuehl, Олаф (2015). «US 9,452,935 B2». Процесс и система конверсии диоксида углерода в оксид углерода «Технология Caphenia / CCP» . world.espacenet.com . Европейское патентное ведомство EPO . Проверено 17 декабря 2019 .
  13. ^ Kuehl, Олаф (2015). «US 9,309,125 B2» Процесс и система для производства синтез-газа «Caphenia / CCP Technology» . world.espacenet.com . Европейское патентное ведомство . Проверено 17 декабря 2019 .
  14. ^ Kühl, Олаф (2015). "EP 3160899 B1" Способ и устройство для производства синтез-газа, обогащенного H2 "Технология Caphenia / CCP" . world.espacenet.com . Европейское патентное ведомство EPO . Проверено 9 февраля 2021 .
  15. ^ Журнал «СЗТ» 6/2012
  16. ^ Кэри, R .; Гомезплата, А .; Сарич, А. (январь 1983 г.). «Обзор разработки подводных скрубберов CO2». Ocean Engineering . 10 (4): 227–233. DOI : 10.1016 / 0029-8018 (83) 90010-0 .
  17. ^ "Солнце к бензину" (PDF) . Сандийские национальные лаборатории . Проверено 11 апреля 2013 года .
  18. ^ «Интегрированная солнечная термохимическая реакционная система» . Министерство энергетики США . Проверено 11 апреля 2013 года .
  19. ↑ Мэтью Л. Уолд (10 апреля 2013 г.). «Новый солнечный процесс извлекает больше из природного газа» . Нью-Йорк Таймс . Проверено 11 апреля 2013 года .
  20. ^ Фрэнсис Уайт. «Выстрел солнечной батареи для электростанций, работающих на природном газе» . Тихоокеанская Северо-Западная национальная лаборатория . Проверено 12 апреля 2013 года .
  21. ^ «Электроэнергия-синтез-газ - технология, позволяющая осуществить переход энергосистемы? Производство синтетического топлива и химикатов с использованием возобновляемых источников энергии». С. Фойт, IC Vince, LGJ de Haart, R.-A. Эйхель, Энгью. Chem. Int. Эд. (2016) http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.201607552/abstract
  22. ^ Патель, Прачи. «Дешевая уловка обеспечивает энергоэффективное улавливание углерода» . technologyreview.com . Проверено 7 апреля 2018 .
  23. ^ «Audi в новом проекте электронного топлива: синтетическое дизельное топливо из воды, улавливаемый воздухом CO2 и экологически чистое электричество;« Blue Crude » » . Конгресс зеленых автомобилей . 14 ноября 2014 . Проверено 29 апреля 2015 года .
  24. ^ a b Эммануэль О. Олуеде. «ФУНДАМЕНТАЛЬНОЕ ВЛИЯНИЕ ЗАЖИГАНИЯ СИНГАЗА В ГАЗОВЫХ ТУРБИНАХ». CiteSeerX 10.1.1.205.6065 . 
  25. ^ CHATTERJEE, AMIT (2012-09-12). ПРОИЗВОДСТВО ГУБКИ ПУТЕМ ПРЯМОГО СОКРАЩЕНИЯ ОКСИДА ЖЕЛЕЗА . PHI Learning Pvt. ООО ISBN 9788120346598.
  26. Перейти ↑ Kiss, Guenther (1994). "US 5311830 A" Способ утилизации отходов энергии и материалов ... "Thermoselect AG" . world.espacenet.com . Европейское патентное ведомство . Проверено 9 февраля 2021 .
  27. ^ Фудзимура, Хироюки; Фудзинами, Шосаку; Фукуда, Тосио; и другие. «US 5980858 A» Способ обработки отходов путем газификации «Ebara Corp» . Эспаснет . Проверено 9 февраля 2021 .
  28. ^ «Станция очистки сточных вод пахнет успехом в испытании синтетического газа - ARENAWIRE» . Австралийское агентство по возобновляемой энергии . Проверено 25 января 2021 .

Внешние ссылки [ править ]

  • «Очистные сооружения пахнут успехом в испытании синтетического газа» ARENA, по состоянию на 6 декабря 2020 г.
  • Архив Фишера Тропша
  • https://www.technologyreview.com/s/508051/a-cheap-trick-enables-energy-efficient-carbon-capture/