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 в качестве замены бензина, 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 получать 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 важный 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 с помощью процесса Фишера-Тропша, а ранее - процесса превращения метанола в бензин Mobil .
Методы производства включают паровой риформинг природного газа или жидких углеводородов для производства водорода, газификацию угля [6] биомассы и некоторые типы установок для газификации отходов в энергию .
Производство
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, при которой образуется синтез-газ, 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 охлаждается 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 впрыснуть 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, в основном 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.
Когда он используется в качестве промежуточного продукта в крупномасштабном промышленном синтезе водорода (в основном используется 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. Это в первую очередь осуществляется адсорбцией при переменном давлении (PSA), очисткой амином и мембранными реакторами .
Альтернативные технологии
Каталитическое частичное окисление биомассы
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 является автотермическим, поэтому нагрев не требуется. Другой процесс был разработан в DTU Energy, который является эффективным и не имеет проблем с загрязнением катализатора (в данном случае катализатора на основе оксида церия). [9] [10]
Углекислый газ и метан
Двухстадийный метод, разработанный в 2012 году, дает 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 CO 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]
Углекислый газ и водород
СВЧ энергия
CO 2 можно расщепить на CO, а затем объединить с водородом с образованием синтез-газа [1] . Способ получения моноксида углерода из диоксида углерода путем обработки его микроволновым излучением изучается в рамках проекта по солнечному топливу Голландского института фундаментальных исследований энергии . Утверждалось, 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 , указывают на то, что на этом судне для удаления углекислого газа использовались скрубберы на основе супероксида калия .
Солнечная энергия
Тепло, генерируемое концентрированной солнечной энергией, может использоваться для запуска термохимических реакций с целью расщепления углекислого газа на окись 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, пока светит солнце. [18] [19] [20]
Соэлектролиз
Используя соэлектролиз, то есть комбинированное электрохимическое преобразование 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
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 перехода водяного газа в синтез-газ было опробовано Лабораторией военно-морских исследований США. [ необходима цитата ] Этот процесс становится рентабельным, если цена на электроэнергию ниже 20 долларов за МВтч. [22]
Электроэнергия, вырабатываемая из возобновляемых источников , также используется для переработки диоксида углерода и воды в синтез-газ посредством высокотемпературного электролиза . Это попытка сохранить углеродную нейтральность в процессе генерации. Audi в партнерстве с компанией Sunfire в ноябре 2014 года открыла пилотный завод по производству электронного дизельного топлива с использованием этого процесса. [23]
Использует
Газовое освещение
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
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
Синтез-газ используется для прямого восстановления железной руды до губчатого железа . [25]
Дизель
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 криогенной обработке, следует учитывать, что эта технология имеет большие трудности при извлечении 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 . Отработанный газ может быть дополнительно переработан в адсорбционной системе с переменным давлением для удаления водорода , а водород и монооксид углерода могут быть рекомбинированы в надлежащем соотношении для каталитического производства метанола, дизельного топлива Фишера-Тропша и т. Д. Криогенная очистка, являющаяся очень энергоемкой. , не очень хорошо подходит для простого производства топлива из-за значительного снижения полезного прироста энергии . [ необходима цитата ]
Метанол
Синтез-газ используется для производства метанола, как в следующей реакции.
Водород
Синтез-газ используется для производства водорода для процесса Габера .
Синтез газа из отходов
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, чтобы значительно сократить объем отходов, которые необходимо вывозить с территории. и производить синтез-газ для питания объекта. После очистки сточных вод от 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, производимый на объектах газификации отходов в энергию, может использоваться, например, для выработки электроэнергии.
Смотрите также
- 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
Рекомендации
- ^ 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.
- ^ "Когенерация синтез-газа / комбинированное производство тепла и электроэнергии" . Кларк Энерджи . Проверено 22 февраля +2016 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ «Машины на древесном газе: дрова в топливном баке» . НИЗКОТЕХНОЛОГИЧНЫЙ ЖУРНАЛ . Проверено 13 июня 2019 .
- ^ Beychok, MR, газификации угля и процесс Phenosolvan , Американское химическое общество сто шестьдесят восьмого Национального собрания, АтлантикСити, сентябрь 1974
- ^ «Состав синтез-газа» . Национальная лаборатория энергетических технологий Министерства энергетики США . Дата обращения 7 мая 2015 .
- ^ «Производство синтез-газа с использованием процесса газификации биомассы» . Университет Миннесоты . Проверено 22 февраля +2016 .
- ^ Новый путь к углеродно-нейтральному топливу из углекислого газа, обнаруженный командой Стэнфордского университета DTU.
- ^ Селективный высокотемпературный электролиз CO2 с участием промежуточных продуктов окисленного углерода
- ^ "dieBrennstoffzelle.de - Kvaerner-Verfahren" . www.diebrennstoffzelle.de . Проверено 17 декабря 2019 .
- ^ Кюль, 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 .
- ^ Кюль, 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 .
- ^ Кюль, Олаф (2015). "EP 3160899 B1" Способ и устройство для производства синтез-газа, обогащенного H2 "Caphenia / CCP Technology" . world.espacenet.com . Европейское патентное ведомство EPO . Проверено 9 февраля 2021 .
- ^ Журнал «СЗТ» 6/2012
- ^ Кэри, Р.; Гомезплата, А .; Сарич, А. (январь 1983 г.). «Обзор разработки подводных скрубберов CO2». Океанская инженерия . 10 (4): 227–233. DOI : 10.1016 / 0029-8018 (83) 90010-0 .
- ^ "Солнце бензину" (PDF) . Сандийские национальные лаборатории . Проверено 11 апреля 2013 года .
- ^ «Интегрированная солнечная термохимическая реакционная система» . Министерство энергетики США . Проверено 11 апреля 2013 года .
- ^ Мэтью Л. Уолд (10 апреля 2013 г.). «Новый солнечный процесс извлекает больше из природного газа» . Нью-Йорк Таймс . Проверено 11 апреля 2013 года .
- ^ Фрэнсис Уайт. «Выстрел солнечного ускорителя для электростанций, работающих на природном газе» . Тихоокеанская Северо-Западная национальная лаборатория . Проверено 12 апреля 2013 года .
- ^ «Энергия-синтез-газ - технология, обеспечивающая 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
- ^ Патель, Прачи. «Дешевый трюк обеспечивает энергоэффективное улавливание углерода» . technologyreview.com . Проверено 7 апреля 2018 года .[ нерелевантная цитата ]
- ^ «Audi в новом проекте электронного топлива: синтетическое дизельное топливо из воды, улавливаемый воздухом CO2 и экологически чистая электроэнергия;« Blue Crude » » . Конгресс зеленых автомобилей . 14 ноября 2014 . Проверено 29 апреля 2015 года .
- ^ а б Эммануэль О. Олуеде. «ФУНДАМЕНТАЛЬНОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ ЗАЖИГАНИЯ СИНГАЗА В ГАЗОВЫХ ТУРБИНАХ». CiteSeerX 10.1.1.205.6065 .
- ^ ЧАТТЕРДЖИ, АМИТ (12 сентября 2012 г.). ПРОИЗВОДСТВО ГУБЧАТОГО ЖЕЛЕЗА Путем прямого восстановления оксида железа . PHI Learning Pvt. ООО ISBN 9788120346598.
- ^ Поцелуй, Гюнтер (1994). "US 5311830 A" Способ утилизации отходов энергии и материалов ... "Thermoselect AG" . world.espacenet.com . Европейское патентное ведомство . Проверено 9 февраля 2021 .
- ^ Фудзимура, Хироюки; Фудзинами, Шосаку; Фукуда, Тосио; и другие. «US 5980858 A» Способ обработки отходов путем газификации «Ebara Corp» . Эспаснет . Проверено 9 февраля 2021 .
- ^ «Очистные сооружения пахнут успехом в испытании синтетического газа - ARENAWIRE» . Австралийское агентство по возобновляемой энергии . Проверено 25 января 2021 .
Внешние ссылки
- «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/