stringtranslate.com

Синтез-газ

Синтез-газ , или синтетический газ , представляет собой смесь водорода и оксида углерода [ 1] в различных соотношениях. Газ часто содержит некоторое количество диоксида углерода и метана . Он в основном используется для производства аммиака или метанола . Синтез-газ горюч и может использоваться в качестве топлива. [2] [3] [4] Исторически он использовался в качестве замены бензину , когда поставки бензина были ограничены; например, древесный газ использовался для питания автомобилей в Европе во время Второй мировой войны (только в Германии полмиллиона автомобилей были построены или перестроены для работы на древесном газе). [5]

Производство

Синтез-газ получают путем паровой конверсии или частичного окисления природного газа или жидких углеводородов, а также газификации угля . [6]

С + Н2О → СО + Н2 [ 1]

CO + H2O → CO2 + H2 [ 1]

С + СО2 → 2СО [1]

Паровая конверсия метана представляет собой эндотермическую реакцию, требующую 206 кДж/моль метана:

СН4 + Н2О → СО + 3Н2

В принципе, но редко на практике, биомасса и связанное с ней углеводородное сырье могут быть использованы для получения биогаза и биоугля на объектах газификации отходов в энергию . [7] Полученный газ (в основном метан и углекислый газ) иногда описывается как синтез-газ, но его состав отличается от синтез-газа. Было исследовано получение обычного синтез-газа (в основном H 2 и CO) из отходов биомассы. [8] [9]

Состав, пути образования и термохимия

Химический состав синтез-газа варьируется в зависимости от сырья и процессов. Синтез-газ, полученный путем газификации угля, обычно представляет собой смесь из 30–60% оксида углерода, 25–30% водорода, 5–15% диоксида углерода и 0–5% метана. Он также содержит меньшее количество других газов. [10] Синтез-газ имеет менее половины энергетической плотности природного газа . [11]

Первая реакция между раскаленным коксом и паром является сильно эндотермической, в результате чего образуется оксид углерода (CO) и водород H
2( Водяной газ в старой терминологии). Когда коксовый слой охлаждается до температуры, при которой эндотермическая реакция больше не может протекать, пар заменяется струей воздуха.

Затем происходят вторая и третья реакции, производя экзотермическую реакцию — образуя изначально диоксид углерода и повышая температуру коксового слоя — за которой следует вторая эндотермическая реакция, в которой последний преобразуется в оксид углерода. Общая реакция является экзотермической, образуя «генераторный газ» (старый термин). Затем можно повторно закачивать пар, затем воздух и т. д., чтобы получить бесконечную серию циклов, пока кокс окончательно не израсходуется. Генераторный газ имеет гораздо более низкую энергетическую ценность по сравнению с водяным газом, в первую очередь из-за разбавления атмосферным азотом. Чистый кислород может быть заменен воздухом, чтобы избежать эффекта разбавления, производя газ с гораздо более высокой теплотворной способностью .

Для получения большего количества водорода из этой смеси добавляют больше пара и проводят реакцию конверсии водяного газа :

CO + H2O → CO2 + H2

Водород может быть отделен от CO 2 с помощью адсорбции при переменном давлении (PSA), аминовой очистки и мембранных реакторов . Были исследованы различные альтернативные технологии, но ни одна из них не имеет коммерческой ценности. [12] Некоторые вариации фокусируются на новых стехиометриях, таких как диоксид углерода плюс метан [13] [14] или частичное гидрирование диоксида углерода. Другие исследования фокусируются на новых источниках энергии для управления процессами, включая электролиз, солнечную энергию, микроволны и электрические дуги. [15] [16] [17] [18] [19] [20]

Электричество, вырабатываемое из возобновляемых источников , также используется для переработки углекислого газа и воды в синтетический газ посредством высокотемпературного электролиза . Это попытка сохранить углеродную нейтральность в процессе генерации. Audi в партнерстве с компанией Sunfire открыла пилотный завод в ноябре 2014 года для генерации электронного дизельного топлива с использованием этого процесса. [21]

Синтез-газ, который не метанизирован, обычно имеет более низкую теплотворную способность 120 БТЕ/ ст. куб. фут . [22] Необработанный синтез-газ может работать в гибридных турбинах, которые обеспечивают большую эффективность из-за более низких рабочих температур и более длительного срока службы деталей. [22]

Использует

Синтез-газ используется как источник водорода, а также как топливо. [12] Он также используется для прямого восстановления железной руды до губчатого железа . [23] Химическое применение включает производство метанола , который является предшественником уксусной кислоты и многих ацетатов; жидкого топлива и смазочных материалов с помощью процесса Фишера-Тропша и ранее процесса Mobil по превращению метанола в бензин ; аммиака с помощью процесса Габера , который преобразует атмосферный азот (N2 ) в аммиак, который используется в качестве удобрения ; и оксоспиртов через промежуточный альдегид.

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ abcd Спейт, Джеймс Г. (2002). Справочник по химическому и технологическому проектированию . Справочники McGraw-Hill. Нью-Йорк, штат Нью-Йорк: McGraw-Hill. стр. 566. ISBN 978-0-07-137433-0.
  2. ^ "Syngas Cogeneration / Combined Heat & Power". Clarke Energy . Архивировано из оригинала 27 августа 2012 года . Получено 22 февраля 2016 года .
  3. ↑ Мик, Джейсон (3 марта 2010 г.). «Зачем отдавать в отходы? Enerkem делает рывок вперед с планами по переработке мусора в газ». DailyTech . Архивировано из оригинала 4 марта 2016 г. Получено 22 февраля 2016 г.
  4. ^ Boehman, André L.; Le Corre, Olivier (15 мая 2008 г.). «Сжигание синтез-газа в двигателях внутреннего сгорания». Combustion Science and Technology . 180 (6): 1193–1206. doi :10.1080/00102200801963417. S2CID  94791479.
  5. ^ "Автомобили на древесном газе: дрова в топливном баке". LOW-TECH MAGAZINE . Архивировано из оригинала 2010-01-21 . Получено 2019-06-13 .
  6. ^ Бейчок, Милтон Р. (1974). «Газификация угля и процесс Phenosolvan» (PDF) . Am. Chem. Soc., Div. Fuel Chem., Prepr.; (США) . 19 (5). OSTI  7362109. S2CID  93526789. Архивировано из оригинала (PDF) 3 марта 2016 г.
  7. ^ "Очистные сооружения добились успеха в испытании синтетического газа - ARENAWIRE". Австралийское агентство по возобновляемым источникам энергии . 11 сентября 2019 г. Архивировано из оригинала 2021-03-07 . Получено 2021-01-25 .
  8. ^ Чжан, Лу и др. (2018). «Производство чистого синтез-газа из твердых бытовых отходов с помощью технологии каталитической газификации и риформинга». Catalysis Today . 318 : 39–45. doi : 10.1016/j.cattod.2018.02.050. ISSN  0920-5861. S2CID  102872424.
  9. ^ Sasidhar, Nallapaneni (ноябрь 2023 г.). "Углеродно-нейтральное топливо и химикаты с автономных заводов по переработке биомассы" (PDF) . Indian Journal of Environment Engineering . 3 (2): 1–8. doi :10.54105/ijee.B1845.113223. ISSN  2582-9289. S2CID  265385618 . Получено 29 декабря 2023 г. .
  10. ^ "Состав синтез-газа". Национальная лаборатория энергетических технологий, Министерство энергетики США. Архивировано из оригинала 27 марта 2020 года . Получено 7 мая 2015 года .
  11. ^ Бейчок, М. Р. (1975). Технологические процессы и экологическая технология производства СПГ и жидких топлив . Агентство по охране окружающей среды. OCLC  4435004117. OSTI  5364207.[ нужна страница ]
  12. ^ ab Хиллер, Хайнц; Реймерт, Райнер; Штённер, Ханс-Мартин (2011). "Производство газа, 1. Введение". Энциклопедия промышленной химии Ульмана . doi :10.1002/14356007.a12_169.pub3. ISBN 978-3527306732.
  13. ^ "dieBrennstoffzelle.de - Kvaerner-Verfahren". www.diebrennstoffzelle.de . Архивировано из оригинала 2019-12-07 . Получено 2019-12-17 .
  14. ^ Патент ЕС 3160899B1, Кюль, Олаф, «Способ и устройство для производства синтез-газа, богатого водородом», выдан 12 декабря 2018 г. 
  15. ^ "Sunshine to Petrol" (PDF) . Sandia National Laboratories. Архивировано из оригинала (PDF) 19 февраля 2013 г. . Получено 11 апреля 2013 г. .
  16. ^ "Интегрированная система термохимической реакции на солнечной энергии". Министерство энергетики США. Архивировано из оригинала 19 августа 2013 г. Получено 11 апреля 2013 г.
  17. ↑ Matthew L. Wald (10 апреля 2013 г.). «Новый солнечный процесс позволяет извлечь больше пользы из природного газа». The New York Times . Архивировано из оригинала 30 ноября 2020 г. Получено 11 апреля 2013 г.
  18. ^ Фрэнсис Уайт. «Солнечный усилитель для электростанций на природном газе». Pacific Northwest National Laboratory. Архивировано из оригинала 14 апреля 2013 г. Получено 12 апреля 2013 г.
  19. ^ Фойт, Северин Р.; Винке, Изак К.; де Хаарт, Ламбертус Г. Дж.; Эйхель, Рюдигер-А. (8 мая 2017 г.). «Power-to-Syngas: An Enabling Technology for the Transition of the Energy System?». Angewandte Chemie International Edition . 56 (20): 5402–5411. doi :10.1002/anie.201607552. PMID  27714905.
  20. ^ Патент США 5159900A, Дамманн, Уилбур А., «Способ и средства получения газа из воды для использования в качестве топлива», выдан 3 ноября 1992 г. 
  21. ^ "Audi в новом проекте e-fuels: синтетическое дизельное топливо из воды, улавливаемый воздухом CO2 и зеленое электричество; "Blue Crude"". Green Car Congress . 14 ноября 2014 г. Архивировано из оригинала 27 марта 2020 г. Получено 29 апреля 2015 г.
  22. ^ ab Oluyede, Emmanuel O.; Phillips, Jeffrey N. (май 2007 г.). "Fundamental Impact of Firing Syngas in Gas Turbines". Том 3: Turbo Expo 2007. Труды ASME Turbo Expo 2007: Power for Land, Sea, and Air. Том 3: Turbo Expo 2007. Монреаль, Канада: ASME. стр. 175–182. CiteSeerX 10.1.1.205.6065 . doi :10.1115/GT2007-27385. ISBN  978-0-7918-4792-3.
  23. ^ Чаттерджи, Амит (2012). Производство губчатого железа путем прямого восстановления оксида железа . PHI Learning. ISBN 978-81-203-4659-8. OCLC  1075942093.[ нужна страница ]

Внешние ссылки