Синтез-газ - Syngas

Не путать с синтетический бензин.
Древесный газ, вид синтез-газа, горение

Синтез-газ, или же синтез-газ, это топливный газ смесь, состоящая в основном из водород, монооксид углерода, и очень часто некоторые углекислый газ. Название происходит от его использования как промежуточные звенья в создании синтетический природный газ (СНГ)[1] и для производства аммиак или метанол. Синтез-газ обычно является продуктом угля. газификация и основное приложение производство электроэнергии.[нужна цитата ] Синтез-газ является горючим и может использоваться в качестве топлива двигатель внутреннего сгорания.[2][3][4] Исторически синтетический газ использовался в качестве замены бензина, когда поставки бензина были ограничены; Например, древесный газ использовался для питания автомобилей в Европе во время Вторая мировая война (только в Германии было построено или перестроено полмиллиона автомобилей для работы на древесном газе).[5] Однако синтез-газ имеет менее половины плотность энергии из натуральный газ.[1]

Синтез-газ можно производить из многих источников, включая природный газ, уголь, биомассу или практически любое углеводородное сырье, путем реакции с паром (паровой риформинг ), углекислый газ (сухой риформинг ) или кислород (частичное окисление ). Синтез-газ является важным промежуточным ресурсом для производства водорода, аммиака, метанола и синтетического углеводородного топлива. Синтез-газ также используется в качестве промежуточного продукта при производстве синтетическая нефть для использования в качестве топливо или смазка через Процесс Фишера-Тропша а ранее Mobil метанол в бензин процесс.

Методы производства включают паровой риформинг природного газа или жидких углеводородов для производства водорода, газификация угля,[6] биомасса, а в некоторых типах превращение отходов в энергию объекты газификации.

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, производящая синтез-газ, паровой риформинг, является эндотермическая реакция 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. ЧАС
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 происходят вторая и третья реакции, производящие экзотермическая реакция - сначала образование диоксида углерода и повышение температуры слоя кокса - затем следует вторая эндотермическая реакция, в которой последний превращается в монооксид углерода, CO. Общая реакция экзотермическая, с образованием «продуцирующего газа» (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 используется в производстве аммиак ), он также производится из натуральный газ (через реакцию парового риформинга) следующим образом:

Чтобы произвести больше водорода из этой смеси, добавляется больше пара и сдвиг водяного газа реакция проводится:

Водород необходимо отделить от CO
2 чтобы иметь возможность его использовать. В первую очередь это делается адсорбция при переменном давлении (PSA), очистка амином, и мембранные реакторы.

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 обугливание. Весь процесс является автотермическим, 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]

Углекислый газ и метан

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: CH4 + энергия -> C + 2 H2). Предпочтительно плазменный нагреватель обеспечивает нагрев на первом этапе. На втором этапе CO2 добавляется в горячую смесь углерода и водорода[12] (реакция: C + CO2 -> 2 CO). Углерод и СО2 реагируют при высокой температуре с образованием окиси углерода (реакция: C + CO2 -> 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 можно использовать воду вместо CO.2 на втором этапе для достижения большего количества водорода в синтез-газе.[13] В этом случае реакция второй стадии: C + H2О -> СО + Н2. Оба метода также позволяют изменять соотношение CO к H.2.

Двуокись углерода и водород

СВЧ энергия

CO2 может быть расщеплен на CO, а затем объединен с водородом с образованием синтез-газа [1]. Способ получения окиси углерода из углекислого газа путем обработки его микроволновым излучением исследуется проектом солнечного топлива Голландский институт фундаментальных энергетических исследований. Этот метод якобы использовался во время холодной войны на российских атомных подводных лодках, чтобы позволить им избавиться от CO.2 газ, не оставляя пузырькового следа.[14] Общедоступные журналы, опубликованные во время холодной войны, показывают, что американские подводные лодки использовали обычные химические вещества. скрубберы удалить CO2.[15] Документы, выпущенные после затопления Курск, эпоха холодной войны Подводная лодка класса "Оскар", указывают, что супероксид калия скрубберы использовались для удаления диоксида углерода на этом сосуде.

Солнечная энергия

Тепло, выделяемое концентрированная солнечная энергия может использоваться для проведения термохимических реакций расщепления диоксида углерода на монооксид углерода или для производства водорода.[16] Натуральный газ может использоваться в качестве сырья в установке, которая объединяет концентрированную солнечную энергию с электростанцией, работающей на природном газе, дополненном синтез-газом, пока светит солнце.[17][18][19] В рамках проекта Sunshine-to-Petrol разработано устройство, позволяющее эффективно производить производство с использованием этой технологии. Он называется реактором-приемником с противовращающимся кольцом, или CR5.[20][21][22][23]

Соэлектролиз

Используя со-электролиз, то есть электрохимическое преобразование пара и диоксида углерода с использованием возобновляемой электроэнергии, синтез-газ можно производить в рамках CO
2-сценарий валоризации, позволяющий закрыть цикл углерода.[24]

Электричество

Использование электричества для извлечения двуокиси углерода из воды[25][26][27][28][29] а затем переход водяного газа на синтез-газ был опробован Лабораторией военно-морских исследований США. Этот процесс становится рентабельным, если цена на электроэнергию ниже 20 долларов за МВтч.[30]

Возобновляемые источники

Электричество, произведенное из возобновляемые источники также используется для переработки диоксида углерода и воды в синтез-газ через высокотемпературный электролиз. Это попытка сохранить углеродно-нейтральный в процессе генерации. Audi в партнерстве с компанией Sunfire в ноябре 2014 г. открыла пилотную установку по производству электронный дизель используя этот процесс.[31]

Использует

Газовое освещение

Газификация угля процессы создания синтез-газа использовались в течение многих лет для производства осветительный газ (угольный газ ) за газовое освещение, приготовление пищи и, в некоторой степени, нагревание перед электрическое освещение и натуральный газ инфраструктура стала широко доступной.[нужна цитата ] Синтез-газ, производимый на объектах газификации отходов в энергию, может использоваться для выработки электроэнергии.

Энергетическая емкость

Синтез-газ, который не подвергается метанизации, обычно имеет более низкую теплотворную способность 120 БТЕ /scf .[32] Необработанный синтез-газ можно использовать в гибридных турбинах, которые обеспечивают большую эффективность из-за более низких рабочих температур и увеличенного срока службы деталей.[32]

Губчатое железо

Синтез-газ используется для прямого уменьшения железная руда к губчатое железо.[33]

Дизель

Синтез-газ можно использовать в Процесс Фишера-Тропша для производства дизельного топлива или преобразованы, например, в метан, метанол, и диметиловый эфир в каталитический процессы.

Если синтез-газ подвергается последующей криогенной обработке, следует принимать во внимание, что эта технология имеет большие трудности с получением чистого газа. монооксид углерода если относительно большие объемы азот присутствуют из-за монооксид углерода и азот с очень похожими температурами кипения, которые составляют –191,5 ° C и –195,79 ° C соответственно. Определенный техпроцесс выборочно удаляет монооксид углерода к комплексообразование /декомплексирование из монооксид углерода с хлористым алюминием меди (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 углекислый газ, азот, метан, этан, и водород. Отработанный газ может быть переработан на адсорбция при переменном давлении система для удаления водород, а водород и монооксид углерода могут быть рекомбинированы в надлежащем соотношении для каталитического производства метанола, дизельного топлива Фишера-Тропша и т. д. Криогенная очистка, будучи очень энергоемкой, не подходит для простого производства топлива из-за значительного снижения чистый прирост энергии.[нужна цитата ]

Метанол

Синтез-газ используется для производства метанол как в следующей реакции.

Водород

Синтез-газ используется для производства водород для Процесс Габера.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ а б Бейчок, М.Р., Технологические и экологические технологии для производства сжиженного природного газа 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». Clarke Energy. Получено 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 оригинал 4 марта 2016 г.. Получено 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. Дои:10.1080/00102200801963417. S2CID  94791479.
  5. ^ «Машины на древесном газе: дрова в топливном баке». НИЗКОТЕХНОЛОГИЧНЫЙ ЖУРНАЛ. Получено 2019-06-13.
  6. ^ Бейчок, М.Р., Газификация угля и процесс Феносолван, 168-е Национальное собрание Американского химического общества, Атлантик-Сити, сентябрь 1974 г.
  7. ^ «Состав синтез-газа». Национальная лаборатория энергетических технологий, Министерство энергетики США. Получено 7 мая 2015.
  8. ^ «Производство синтез-газа с использованием процесса газификации биомассы». Университет Миннесоты. Получено 22 февраля 2016.
  9. ^ Новый способ получения углеродно-нейтрального топлива из углекислого газа обнаружен командой Stanford-DTU
  10. ^ Селективный высокотемпературный электролиз CO2 с использованием промежуточных продуктов окисленного углерода
  11. ^ "dieBrennstoffzelle.de - Kvaerner-Verfahren". www.diebrennstoffzelle.de. Получено 2019-12-17.
  12. ^ «US 9,452,935 B2 - Процесс и система конверсии диоксида углерода в монооксид углерода». world.espacenet.com. Европейское патентное ведомство. Получено 2019-12-17.
  13. ^ «US 9,309,125 B2 - Процесс и система для производства синтез-газа». world.espacenet.com. Европейское патентное ведомство. Получено 2019-12-17.
  14. ^ Журнал «СЗТ» 6/2012
  15. ^ Кэри, Р .; Гомезплата, А .; Сарич, А. (январь 1983 г.). «Обзор разработки подводных скрубберов CO2». Океан Инжиниринг. 10 (4): 227–233. Дои:10.1016/0029-8018(83)90010-0.
  16. ^ "От солнца к бензину" (PDF). Сандийские национальные лаборатории. Получено 11 апреля, 2013.
  17. ^ «Интегрированная солнечная термохимическая реакционная система». Министерство энергетики США. Получено 11 апреля, 2013.
  18. ^ Мэтью Л. Уолд (10 апреля 2013 г.). «Новый солнечный процесс максимально использует природный газ». Нью-Йорк Таймс. Получено 11 апреля, 2013.
  19. ^ Фрэнсис Уайт. «Выстрел солнечной батареи для электростанций, работающих на природном газе». Тихоокеанская Северо-Западная национальная лаборатория. Получено 12 апреля, 2013.
  20. ^ D'Alessio, L .; Паолуччи, М. (1989). «Энергетические аспекты производства синтез-газа с помощью солнечной энергии: конверсия метана и газификация углерода». Солнечные и ветровые технологии. 6 (2): 101–104. Дои:10.1016 / 0741-983X (89) 90018-0.
  21. ^ «Создание топлива из солнечного света». Университет Миннесоты. 23 октября 2013 г.. Получено 22 февраля 2016.
  22. ^ "Ссылка на проект Sunshine-to-Petrol 1" (PDF). sandia.gov. Архивировано из оригинал (PDF) 20 сентября 2012 г.. Получено 7 апреля 2018.
  23. ^ "Ссылка на проект Sunshine-to-Petrol 2" (PDF). sandia.gov. Получено 7 апреля 2018.
  24. ^ «Электроэнергия - синтез-газ - технология, позволяющая осуществить переход энергосистемы? Производство синтетического топлива и химикатов с использованием возобновляемых источников энергии». С. Фойт, I.C. Винс, L.G.J. де Хаарт, Р.-А. Эйхель, Энгью. Chem. Int. Эд. (2016) http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.201607552/abstract
  25. ^ http://www.dtic.mil/get-tr-doc/pdf?AD=ADA544002
  26. ^ http://www.dtic.mil/get-tr-doc/pdf?AD=ADA539765
  27. ^ http://www.dtic.mil/get-tr-doc/pdf?AD=ADA589263
  28. ^ http://www.dtic.mil/get-tr-doc/pdf?AD=ADA565466
  29. ^ http://www.dtic.mil/get-tr-doc/pdf?AD=ADA544072
  30. ^ Патель, Прачи. «Дешевая уловка обеспечивает энергоэффективное улавливание углерода». technologyreview.com. Получено 7 апреля 2018.
  31. ^ «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 г.. Получено 29 апреля 2015.
  32. ^ а б Эммануэль О. Олуеде. «ФУНДАМЕНТАЛЬНОЕ ВЛИЯНИЕ ЗАЖИГАНИЯ СИНГАЗА В ГАЗОВЫХ ТУРБИНАХ». Клемсон / EPRI. CiteSeerX  10.1.1.205.6065. Цитировать журнал требует | журнал = (помощь)
  33. ^ ЧАТТЕРДЖИ, АМИТ (12 сентября 2012 г.). ПРОИЗВОДСТВО ГУБЧАТОГО ЖЕЛЕЗА Путем ПРЯМОГО ВОССТАНОВЛЕНИЯ ОКСИДА ЖЕЛЕЗА. PHI Learning Pvt. ООО ISBN  9788120346598.

внешняя ссылка