Синтез газ: Синтез-газ – Что такое Синтез-газ?

Содержание

Синтез-газ – Что такое Синтез-газ?

16169

Синтез-газ — смесь монооксида углерода и водорода.

Синтез-газ – смесь монооксида углерода и водорода.
Получение синтез-газа является первой стадией превращения природного газа и угля не только в жидкие топлива, но и химические продукты.

В промышленности синтез-газ получают паровой конверсией метана, парциальным окислением метана, газификацией угля.
Эти способы обладают высокой себестоимостью.
Применение катализаторов означает осуществление на поверхности катализатора ряда химических превращений. 
Этот метод зарекомендовал себя как более эффективный и дешевый.

В зависимости от способа получения соотношение CO:Н

2 варьируется от 1:1 до 1:3.

В зависимости от применяемого сырья и вида конверсии (водяным паром или нестехиометрическим количеством О2) соотношение компонентов в газовой смеси изменяется в широких пределах:

  •  СН4 + Н2О : СО + 3Н2
  •  СН4 + ½O2 : СО + 2Н2
  • -СН2-+ Н2О:СО + 2Н2
  • -СН2-+ ½O2 :СО + Н2
Это соотношение определяется также методом и условиями газификации углей.

По наиболее распространенному методу Лурги получают сырой газ следующего состава: 

  • 15-18% СО, 
  • 38-40% Н2
  • 9-11% СН4
  • 30-32% СО2
  • с повышением температуры увеличивается доля СО, 
  • с возрастанием давления – Н2 и СН
    4
    .

Примесями могут быть инертные газы (N2 и др.) и Н2S, если сырье содержало серу.

Синтез-газ очищают от Н2S и СО2 селективными растворителями; соотношение между СО и Н2 регулируют, если необходимо, конверсией оксида углерода водяным паром.

Синтез-газ получают также наряду с целевым продуктом ацетиленом при окислительном пиролизе природного газа.

4-й ежегодный Конгресс и выставка «Азот Синтезгаз Россия и СНГ 2021»

Место проведения: Москва

4-й ежегодный Конгресс и выставка «Азот Синтезгаз Россия и СНГ 2021» пройдет в Москве 26-27 мая.

Запросить брошюру: https://www.syngasrussia.com/zaprosit-broshyuru/

Ключевые направления работы Конгресса 2021:

  • 250+ УЧАСТНИКОВ: крупнейших предприятий-производителей метанола, аммикака, азотных удобрений из России и стран СНГ, регуляторных органов, поставщиков технологий и оборудования
  • ОТКРЫТАЯ ДИСКУССИЯ ПЛЕНАРНОГО ЗАСЕДАНИЯ: БУДУЩЕЕ ИНДУСТРИИ ГАЗОХИМИИ В РОССИИ И СНГ ПОСЛЕ ПАНДЕМИИ – ЧТО НАС ЖДЕТ?
  • 20+ НОВЫХ И ТЕКУЩИХ ИНВЕСТИЦИОННЫХ ПРОЕКТОВ: крупнейшие проекты строительства и модернизации – на каком этапе находятся?
  • ВАЖНО! Новые источники финансирования газохимической отрасли: как привлечь и обосновать инвестиции?
  • НОВОЕ В ПРОГРАММЕ! ПРОИЗВОДСТВО ВОДОРОДА из синтез-газа: актуальные технологии и реальные перспективы в России и СНГ
  • ФОРМАТ КРУГЛЫХ СТОЛОВ: этот уникальный формат позволяет обсудить и выработать решения наиболее острых проблем
  • 30+ ЧАСОВ ДЕЛОВОГО И НЕФОРМАЛЬНОГО ОБЩЕНИЯ: встречи один-на-один по заранее согласованному графику, деловые обеды, кофе-брейки, интерактивные дискуссии и многое другое
  • ЭКСКЛЮЗИВНАЯ ВЫСТАВКА И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРЕЗЕНТАЦИИ: технологические презентации, роуд-шоу, специализированная выставка технологий, оборудования и услуг от мировых лидеров
  • КОКТЕЙЛЬНЫЙ ПРИЕМ* – во время коктейльного приема можно завязать новые знакомства и укрепить уже существующие деловые связи в неформальной обстановке

*участие по специальным приглашениям, условия участия уточняйте у организаторов

Генеральный спонсор: Газпромбанк   Серебряный спонсор: BORSIG   Бронзовый спонсор: Walter Tosto

Для регистрации пройдите по ссылке 

Жесткие условия заставили новые ячейки для восстановления воды работать лучше – Наука

Химики из Уральского федерального университета и Института высокотемпературной электрохимии в Екатеринбурге разработали новые электрохимические ячейки для электролиза воды в присутствии углекислого газа. Оказалось, что ячейки работают лучше в жестких условиях — при повышенной концентрации углекислого газа. Результаты исследования опубликованы в Journal of Materials Chemistry A.

Твердооксидные топливные элементы — электрохимические ячейки, в которых используется не жидкий электролит, а твердый — вещество, которое в силу своего состава может «проводить» заряженные ионы водорода или кислорода. Такие электролиты более стабильны, особенно при высоких температурах. Твердооксидные ячейки нередко используют для получения водорода электролизом воды: на аноде происходит разложение воды, а на катоде полученные протоны (ионы водорода Н+) соединяются с электронами и формируют молекулярный водород.

Если электролиз происходит в присутствии углекислого газа (СО2), то часть электронов тратится на восстановление этого вещества. Тогда результатом электролиза становится так называемый синтез-газ — смесь водорода и монооксида углерода (СО). Синтез-газ — это что-то вроде полуфабриката топлива: в дальнейшем его можно, например, превратить в жидкие углеводороды с помощью каталитического процесса Фишера. Получение синтез-газа электролизом воды — очень перспективный процесс, который одновременно позволяет избавиться от углекислого газа и получить топливо. Кстати, сейчас ученые разрабатывают похожие ячейки, которые могли бы работать от солнечной энергии, — тогда процесс будет вдвойне экологичным.

Химики из Екатеринбурга, впрочем, сосредоточились на «классических» ячейках и выборе наилучшего твердого электролита для них. Этот материал должен обеспечивать хорошую проводимость протонов и одновременно быть стабильным в атмосфере СО2 при температуре 700 градусов Цельсия, поэтому подобрать его состав не так просто. Обычно используют сложные оксиды циркония и иттрия с добавками других металлов, например церия.

Авторы новой работы заменили иттрий на диспрозий и получили материал с составом BaCe0.3Zr0.5Dy0.2O3−δ. Его проводимость оказалась выше, так как протоны меньше «застревали» на границах зерен (отдельных кристаллов в поликристаллическом материале), поэтому и финальные ячейки работали лучше. Стабильность тоже была на высоком уровне: за десять часов работы ячейки потеряли всего 0,7 процента эффективности. Впрочем, для промышленного применения этот параметр предстоит еще улучшать.

Более того, ячейки работали даже лучше в более «жестких» условиях, когда атмосфера была дополнительно обогащена углекислым газом. Например, при увеличении давления СО2 с 0 до 0,9 атмосферы, скорость образования водорода возрастала почти на 15 процентов. Дело в том, что избыток СО2 подавлял некоторые нежелательные процессы на катоде, в результате чего удавалось достичь оптимального сопротивления и плотности тока, то есть лучшей эффективности ячеек.

Смесительные установки для создания синтетического природного газа (SNG)

В отечественной терминологии существует несколько несистематизированных терминов и их аббревиатур, обозначающих смесь сжиженного пропана и бутана (СНГ, СУГ, СПБ), что порождает известную терминологическую путаницу. Все вышеприведенные сокращения соответствуют принятому в мировой практике термину LPG. Несмотря на такое обилие понятий, обозначающих один и тот же продукт, устоявшегося российского термина, соответствующего английскому SNG (Sintetic Natural Gas, синтетический натуральный или природный газ) сегодня в России не существует, и, насколько нам известно, в отечественной нормативной литературе однозначно принимаемого научным сообществом определения данному понятию нет. Скорее всего, это связано как с относительно небольшим распространением самой технологии создания синтетического натурального газа (и ограниченным количеством специалистов в данной сфере), так и с весьма скромным числом производителей оборудования для SNG. Нужно отметить, что это исключительно зарубежные производители, российская научная школа SNG прекратила свое существование в прошлом веке.

Попробуем заполнить этот пробел, дать российское название и определение термину SNG. Учитывая сложившуюся традицию к сокращению до аббревиатур терминов, обозначающих различные виды углеводородов, хотелось бы дать определение, подлежащее сокращению до кириллической аббревиатуры. В русском языке суть данного понятия лучше всего бы отражало сокращение понятия «Синтетический природный газ», но сделать это не такто просто: сокращение СПГ не удобно для употребления, так как существует устоявшийся термин СПГ — сжиженный природный газ, и в этом случае возникнет терминологическая путаница. То же самое происходит и в случае с сокращением понятия «синтетический натуральный газ» (в английском языке «природный газ» переводится как «natural gas»). Термин СНГ является употребляемым сокращением от «сжиженные нефтяные газы». Термин «синтетический газ» (Синтез-газ) так же является устоявшимся понятием, не соответствующим по сути предмету, обозначаемому английским термином SNG.

Таким образом, все названия возможных переводов, отражающих сущность SNG, на русском языке при сокращении оказываются занятыми другими терминами. Употребляемый иногда в специализированной литературе термин «газовоздушная смесь» — идентичен при сокращении устоявшемуся термину ГВС («горячее водоснабжение»). В этой ситуации считаем возможным, во избежание возникновения понятийной путаницы, принять термин «синтетический природный газ» без возможности кириллического сокращения, с использованием в случае необходимости английской аббревиатуры SNG.

Синтетический природный газ (SNG) — газ, полученный в результате смешения воздуха с каким-либо газом либо смесью газов, имеющий теплотворную способность, равную теплотворной способности метана.

Наиболее часто для создания SNG используется смесь СУГ с воздухом. В некоторых случаях в результате технологических процессов выделяются газы с нестандартной (либо изменяющейся) теплотворной способностью; в таких случаях и проще, и дешевле поставить смесительную установку для производства SNG, чем разрабатывать специальные газогорелочные устройства для данных технических условий. Основное использование SNG в мировой практике — замена природному газу, дающая возможность быстрого перевода систем газоснабжения с одного источника топлива на другой.

В случае одномоментного переключения с одного энергоносителя на другой, ни потребители, ни газоиспользующие устройства «не замечают» смены потребляемого топлива.

Нужно отметить, что в мире, в частности в США, странах Балканского региона (Сербии, Черногории, Хорватии и других), SNG используется достаточно широко. Этому способствуют специфические условия данных регионов, в частности высокая стоимость газа для потребителей, техническая политика поставщиков газа, перебои с газоснабжением природным газом и пр. Например, в США практикуется следующая схема временного использования SNG в качестве топлива для негазифицированных сетевым газом поселений (пока не придет природный газ): есть поселок, который потенциально будет интересен поставщику в качестве потребителя природного газа. При полном подключении всей промышленности и населения к распределительным сетям потребление газа делают рентабельными инвестиции в строительство межпоселкового газопровода. Подобное потребление возникнет после того, как большая часть жителей проведет себе природный газ, чего естественно не происходит, пока газа в поселке нет. Для формирования структуры газопотребления муниципалитет строит внутрипоселковые сети, проводит газ к потребителям в дома, а на входе в газопровод устанавливает систему смешения воздуха с паровой фазой СУГ. Таким образом, начинается потребление газа, которое относительно небольшое, пока потребителей в поселке немного. При увеличении числа потребителей выше некоторой критической отметки для газовой компании становится экономически целесообразно провести межпоселковый газопровод и пустить в готовые распределительные сети природный газ. Смесительная установка после пуска газа отключается и остается в качестве резервного источника газа в случае прекращения газоснабжения.

Кроме этого, структура ценообразования на природный и сжиженный газ в США такая, что там временами дешевле покупать СУГ, чем натуральный газ; таким образом, имея две независимые альтернативные системы, потребитель сам выбирает, какой вид топлива ему сегодня более выгоден.

Нужно сказать, что при существующих российских реалиях: уровне газификации, высокой надежности газоснабжения, стоимости газа для промышленности и населения перспективы использования SNG в России ограничены. Также важным фактором, сдерживающим развитие SNG, является низкая стоимость многотопливных горелок для коммунально-бытовых и промышленных потребителей. Гораздо дешевле и проще, в случае прекращения газоснабжения, переключиться непосредственно на горелке на альтернативное топливо (мазут или сжиженный газ), чем заниматься проектированием и установкой смесительной системы. Но в некоторых случаях применение SNG в качестве резервного топлива оказывается не только экономически оправданным, но и одним из самых дешевых возможных технических решений.

Речь идет о непрерывных технологических процессах, нуждающихся в тепле, таких как сталелитейные производства, стекольные заводы, фабрики по производству керамики и т.п. Стоимость остановки подобных процессов исчисляется огромными суммами и зачастую ведет к коллапсу, полному прекращению производства и банкротству предприятия. В случае, если в подобных процессах по каким-либо причинам нельзя использовать многотопливные горелки или из-за размеров и температуры (стеклоплавильные печи) физически заменить горелки невозможно, целесообразно рассмотреть возможность использования SNG в качестве резервного топлива. Как правило, все подобные объекты являются нестандартными и нуждаются в изготовлении индивидуального проекта смесительной установки с учетом экономических, конструкторских и технологических особенностей объекта.

В данном разделе мы будем затрагивать только оборудование для получения SNG путем смешения газообразной фазы СУГ с воздухом (LPG/Air mixing system), поскольку для создания SNG наиболее часто используется именно СУГ. Кроме того, есть ряд готовых технических решений зарубежных производителей, которые можно успешно применять в случае необходимости.

Системы для производства SNG бывают как низкого (рис. 12.1, 12.3), так и высокого давления. Смесительная система для производства SNG низкого давления может включать в себя емкости для хранения запаса СУГ с системой заправки, насос или компрессор, испарительную установку, смесительную установку ресивер (емкость для смешения), систему аварийного выключения, газоанализаторы и систему пожаротушения.

Рис. 12.1. Упрощенная схема системы производства SNG низкого давления

Смешение газа производится с использованием «трубки Вентури». Паровая фаза СУГ высокого давления поступает через входной патрубок 1 (рис. 12.2) к соплу 6, проходя через которое создает разрежение, подтягивающее заходящий через воздушный сетчатый фильтр 3 атмосферный воздух. В диффузоре 4 происходит частичное смешение воздуха и паровой фазы СУГ, далее образующаяся смесь (SNG) поступает через выходной патрубок 5 в ресивер-сепаратор, где происходит окончательное смешение воздуха с СУГ.

Рис. 12.2. Схема смесительного устройства: 1 — входной патрубок; 2 — манометр; 3 — воздушный сетчатый фильтр; 4 — обратный клапан; 5 — крышка; 6 — сопло; 7 — диффузор; 8 — выходной патрубок

Рис. 12.3. Схема смесительной установки для производства SNG низкого давления: 11 — емкость для СУГ; 12 — фильтр; 13 — насос; 14 — испаритель; 15 — смесительная система; 16 — выходной коллектор; 17 — ресивер-сепаратор; 18 — выходной патрубок

Существуют смесительные системы для получения SNG низкого давления и газовоздушных смесей (природный газ/воздух), использующие смесительный клапан «Consta-Mix». Он работает следующим образом: воздух поступает через фильтрующий элемент и входной патрубок 1 (рис. 12.4) в воздушную камеру 2, откуда через седло воздушного клапана 3 попадает в смесительную камеру 4. Газ поступает в клапан через входной патрубок 5, далее через седло газового клапана 6 и через байпас 7 также попадает в смесительную камеру 4. Состав смеси регулируется механически, импульс управляющего давления попадает через импульсную трубку 9 в надмембранное пространство 10 над мембраной 8, которая перемещает шток 11 с воздушным клапаном 12 и газовым клапаном 13.

Количество газа, проходящего через байпас 7, определяется положением компенсатора 14, который закрывает байпас при перемещении штока 11 вниз.

Рис. 12.4. 1 — входной патрубок; 2 — воздушная камера; 3 — седло воздушного клапана; 4 — смесительная камера; 5 — входной патрубок; 6 — седло газового клапана; 7 — байпас; 8 — мембрана; 9 — импульсная трубка; 10 — надмембранное пространство; 11 — шток; 12 — воздушный клапан; 13 — газовый клапан; 14 — компенсатор

Рис. 12.5. Сооружения для очистки сточных вод, совмещенные с генерацией электроэнергии «Consta-MIX» производства «Algas-SDI», использующие для работы газовоздушную смесь воздух/природный газ в соотношении 4:6

Смесительные установки для получения SNG высокого давления являются значительно более сложными системами и производятся по индивидуальным заказам, в зависимости от конкретных технических и эксплуатационных условий. Комплекс включает в себя емкости для хранения запаса СУГ, заправочную систему, позволяющую разгружать автомашины с СУГ, насос или компрессор, испарительную установку, смесительную установку, ресиверсепаратор, фильтр для СУГ, компрессор для подачи воздуха, воздушный фильтр, калориметр, факельную установку, систему газоанализаторов, систему пожаротушения, контрольную панель с автоматикой безопасности и системой автоматического отключения.

Рассмотрим технологию получения SNG высокого давления на примере смесительной установки «Blendaire» (рис. 12.6) с автоматической настройкой калорийности синтетического натурального газа (производитель — «Algas-SDI»). Установки «Blendaire» смешивают потоки воздуха и газа с давлениями от 1,0 до 1,7 МПа. Воздух и газ подаются на установку каждый через свой входной патрубок и, проходя через регуляторы давления воздуха и газа соответственно, оказываются в смесительной камере, откуда их откачивает компрессор. Для нормальной работы смесительной системы очень важно иметь равное и постоянное давление воздуха и газа после регуляторов, так как только в этом случае смесь будет иметь постоянный состав. Для его контроля после смесителя установлен калориметр (рис. 12.7), который контролирует состав смеси и оказывает управляющее воздействие на регуляторы при необходимости изменения в смеси процентного соотношения воздуха и паровой фазы СУГ.

Смесительная установка оснащена системой автоматического контроля необходимых технологических параметров с выводом на пульт дистанционного управления.

Рис. 12.6. Смесительная установка «Blendaire» производства «Algas-SDI» Рис. 12.7. Калориметр GA-500

Разработан новый метод получения синтез-газа

Российские учёные предложили новую схему переработки биомассы в смесь водорода и CO

Сотрудники Объединённого института высоких температур РАН предложили комбинированную схему термической переработки твёрдой биомассы в синтез-газ (смесь водорода и монооксида углерода). Как сообщает портал «Наука и технологии России», метод состоит из двух стадий: пиролиз исходного сырья и фильтрация образовавшихся газов через нагретый углеродный фильтр.

Пиролиз – это разрушение органических соединений под действием высокой температуры без доступа кислорода. При пиролизе твёрдого сырья образуются газы: монооксид углерода, углекислый газ, водород, азот и газообразные углеводороды, в основном метан, твёрдый угольный осадок, а также пары воды, различных кислот и смол, которые, остывая, образуют жидкую фракцию. Утилизация этой жидкости представляет серьёзную экологическую проблему. Другая задача заключается в том, чтобы увеличить выход газа. Причём полученная газовая смесь должна обладать высокой теплотой сгорания, то есть при сгорании выделять много энергии.

В качестве исходного сырья исследователи предлагают использовать древесные отходы, торф, отходы сельскохозяйственного производства, например солому. В ходе эксперимента учёные определили, что максимальное количество летучих соединений образуется при температурах 250–600 °С. Эти соединения затем пропускают через углеродный фильтр, в качестве которого используют угольный остаток, полученный в результате пиролиза исходного сырья. Поверхность фильтра пористая, она быстро нагревает пиролизные газы до высокой температуры. Чем выше температура фильтрации, тем больше образуется газов и меньше жидкой фракции. Эксперименты показали, что при температуре фильтрации 1000 °С жидкая фаза полностью отсутствует.

С изменением условий термической переработки сырья меняется не только относительный объём газовой смеси, но и её состав. При нагревании вода взаимодействует с углеродом (реакция паровой конверсии) с образованием водорода и монооксида углерода. Кроме того, в ходе химических реакций происходит интенсивное разложение пиролизных газов. В итоге содержание углекислого газа и метана на выходе из реактора падает и при температуре фильтрации 1000 °С не превышает 1%. Полученная газовая смесь представляет собой синтез-газ с примерно равным объёмным содержанием водорода и монооксида углерода. Этот газ можно использовать для энергоустановок на базе газопоршневых двигателей.

Учёные отмечают, что опробованный ими метод существенно повышает удельный выход газовой составляющей при сохранении достаточно высоких значений удельной теплоты сгорания (не менее 11 МДж/м3), а также позволяет эффективно избавляться от жидких продуктов пиролиза, не загрязняя ими окружающую среду. А применение низкосортных твёрдых топлив позволит рационально использовать местные природные ресурсы.

 

Синтез-газ – обзор

3.1 Подготовка синтез-газа зависит от исходного сырья

Синтез-газ получают из углеродсодержащего сырья. Единственное существенное требование – корм должен содержать углерод. Термин углеродистый подразумевает присутствие углерода. Также желательно, чтобы сырье содержало водород, поскольку это повысит эффективность его преобразования в углеводородные продукты. Если в сырье не хватает водорода, водород получается из воды, и для расщепления молекулы воды требуется энергия.

Наиболее важным сырьем, обедненным водородом, является уголь. Это связано с тем, что уголь является самым богатым ископаемым топливом в мире. Процесс преобразования угля (или другого сырья, обедненного водородом) в синтез-газ известен как газификация. Чтобы сделать синтез-газ пригодным для синтеза FT, уголь газифицируют водяным паром и кислородом. Можно рассмотреть несколько типов технологий газификации угля. Выбор наиболее подходящей технологии будет зависеть в основном от конкретных характеристик угольных ресурсов.

Если в качестве сырья выбран уголь, то будет образовываться большое количество отходящего технологического тепла. Это технологическое тепло можно использовать для производства электроэнергии. В настоящее время прямое производство электроэнергии является наиболее распространенным использованием угля. Было показано, что совместное производство углеводородов и электроэнергии обеспечивает более высокую эффективность, чем отдельные заводы, производящие эти продукты [4].

Конверсия угля намного дороже, чем конверсия природного газа в синтез-газ.В последнее время запасы природного газа, как такового или связанного с сырой нефтью, увеличились, и значительная часть этого газа была названа «мель» [1]. Другими словами, нецелесообразно транспортировать газ по трубопроводу до места, где он может быть продан. Такой попутный газ из удаленных мест превращается в жидкости, пригодные для транспортировки. Помимо углеводородов FT, существует ряд других продуктов, которые можно транспортировать. Это аммиак, мочевина, метанол и СПГ. Рынки аммиака, мочевины и метанола невелики по сравнению с жидкостями FT и СПГ, и экономические стимулы для производства этих продуктов не лучше.

Преобразование метанола в углеводородные жидкости не имеет смысла сейчас, когда углеводородные жидкости могут быть получены непосредственно путем синтеза FT по стоимости, аналогичной стоимости производства метанола. Однако производство всех вышеупомянутых продуктов на одном и том же удаленном объекте имеет большой смысл при условии, что ресурсы газа достаточно велики, чтобы поддерживать это. За исключением СПГ, все эти продукты требуют производства синтез-газа в качестве первого шага. Преобразование природного газа в жидкий продукт, предназначенный для транспортировки, с помощью синтез-газа классифицируется как технология преобразования газа в жидкость (GTL).Именно этот подход GTL является наиболее многообещающим для применения технологии FT.

Основным компонентом природного газа является метан. Конверсия природного газа в синтез-газ называется риформингом метана. Использование термина «риформинг» неудачно, потому что он не является особенно описательным и его можно спутать с процессом риформинга, используемым для производства бензина на нефтяной основе. Тем не менее, эта терминология широко используется, поэтому она также будет использоваться в этой книге.

Для риформинга метана, как и в случае газификации, сырье обычно реагирует с водяным паром и кислородом с образованием водорода, монооксида углерода и диоксида углерода. Более чистый характер метанового сырья способствует использованию катализаторов для улучшения процесса конверсии. При риформинге образуется гораздо меньше углекислого газа, чем при газификации. Использование кислорода в процессе риформинга не является обязательным. В отсутствие внутреннего частичного сгорания для эндотермической реакции парового риформинга потребуется внешний источник тепла.Риформинг метана включает в себя равновесные реакции, поэтому полное потребление реагентов для получения продуктов невозможно. Исключением является кислород, который полностью превращается, когда он используется в процессе риформинга метана. Избыточный пар, выходящий из установки риформинга, удаляется путем охлаждения и конденсации до жидкой воды. Непревращенный метан проходит стадию синтеза FT в качестве инертного газа, а затем либо сжигается в качестве топлива, либо рециркулируется в качестве сырья для установки риформинга метана.

Диоксид углерода может быть удален из синтез-газа для полной или частичной рециркуляции на вход в установку риформинга.Предпочтительно он остается в синтез-газе, подаваемом на стадию синтеза FT. Затем двуокись углерода со стадии синтеза FT может быть частично возвращена в установку риформинга. Было предложено несколько различных конфигураций процесса в зависимости, главным образом, от того, какая технология риформинга метана и какой катализатор FT выбран.

Синтез-газ | Синтез-газ | Производитель газа

Синтез-газ, также известный как синтез-газ, синтетический газ или генераторный газ, можно производить из множества различных материалов, содержащих углерод.Они могут включать биомассу (древесный газ), пластмассы, уголь, бытовые отходы или аналогичные материалы. Исторически городской газ использовался для газоснабжения многих жилых домов в Европе и других промышленно развитых странах в 20 веке. Газовые двигатели, использующие синтез-газ в качестве топлива, могут быть сконфигурированы для комбинированной выработки тепла и мощности, чтобы максимизировать эффективность системы.

Синтез-газ создается путем газификации или пиролиза углеродсодержащих материалов. Газификация включает в себя воздействие на эти материалы высоких температур в контролируемом присутствии кислорода с ограниченным сгоранием, чтобы обеспечить тепловую энергию для поддержания реакции.Газификация может происходить в искусственных резервуарах или, альтернативно, может проводиться на месте , , как при подземной газификации угля (ПГУ). Если топливо для газификатора имеет недавнее биологическое происхождение, такое как древесные или органические отходы, газ, производимый газификатором, считается возобновляемым топливом, а энергия, производимая при его сжигании, является возобновляемой. Когда топливо для газификатора представляет собой поток отходов, его преобразование в энергию таким образом имеет совокупное преимущество преобразования этих отходов в полезные продукты.

Преимущества использования синтез-газа в газовых двигателях

  • Производство возобновляемой энергии
  • Преобразование проблемных отходов в полезное топливо
  • Экономичное производство электроэнергии на месте и снижение потерь при передаче
  • Снижение выбросов углерода

Проблемы, связанные с составом синтез-газа

Состав синтез-газа сильно зависит от входов в газификатор. Ряд компонентов синтез-газа вызывает проблемы, которые необходимо решить с самого начала, включая смолы, уровень водорода и влажность.Газообразный водород сгорает намного быстрее, чем метан, который является обычным источником энергии для газовых двигателей. В нормальных условиях более быстрое сгорание в цилиндрах двигателя может привести к преждевременному воспламенению, детонации и обратному воспламенению двигателя. Чтобы противостоять этой проблеме, в двигатель был внесен ряд технических модификаций, и мощность двигателя снижена до 50-70% от его обычной производительности на природном газе. (То есть двигатель мощностью 1063 кВт, работающий на природном газе, сопоставим с двигателем максимальной мощностью 730 кВт на синтетическом газе).

Состав синтез-газа

В следующей таблице представлен типичный диапазон для состава синтез-газа. Это будет зависеть от конкретного химического состава сырья для газификатора

.

Вещество

Состав (%)

H 2

20-40

CO

35-40

CO 2

25-35

CH 4

0-15

N 2

2-5

Требования к качеству синтез-газа и топливного газа

В газовых двигателях можно использовать широкий спектр водородных газов.Однако, как и для всех видов моторного топлива, существуют определенные ограничения для различных компонентов входящего топливного газа. Загрязняющие газы в синтез-газе, особенно смола и влажность, являются ключевой технической проблемой при использовании синтетических газов. Для получения дополнительной информации запросите специальную газовую техническую инструкцию по качеству топливного газа.

Концепция двигателя Syngas CHP

Различные составы, а также теплотворная способность и характеристики сгорания газов, образующихся при производстве синтетических газов, предъявляют более высокие требования к конструкции двигателя.Clarke Energy предлагает специально модифицированные газовые двигатели Jenbacher, которые эффективно используют эти газы для комбинированного производства тепла и электроэнергии. К особым характеристикам этих двигателей могут относиться пламегасители для предотвращения обратного воспламенения, специальные газовые смесители для улучшения смешивания газов и большей устойчивости к загрязнениям. В целом стабильный состав древесного газа делает его выгодным в качестве моторного топлива. Однако высокое содержание водорода в некоторых синтез-газах означает, что процесс сгорания происходит очень быстро, что увеличивает опасность преждевременного зажигания двигателя, детонации или обратного воспламенения двигателя.Чтобы избежать этого риска, Jenbacher создал систему управления двигателем, которая может заправлять двигатель Jenbacher очень бедной смесью и в то же время очень быстро реагировать на изменения нагрузки двигателя. Некоторые синтетические газы имеют высокое содержание оксида углерода, который имеет низкую скорость сгорания и очень вреден. Jenbacher разработал специальную систему сгорания для газового двигателя, которая обеспечивает эффективное и надежное сжигание газа. Кроме того, Clarke Energy & Jenbacher предлагает пакет технологий безопасности, который позволяет надежно работать с вредными газами, такими как угарный газ.Синтез-газ можно использовать для производства горячей воды, пара и электричества. Горячая вода и выхлопные газы двигателей поступают в котлы. Полученный пар можно использовать в других локальных промышленных процессах. Электроэнергия, вырабатываемая газовыми двигателями Jenbacher, может использоваться на месте или продаваться в общую сеть. Электрический КПД синтез-газа 37% и более может быть достигнут с газовыми двигателями Jenbacher

.

Преимущества заправки газовых двигателей синтез-газом

  • Автономное питание
  • Снижение затрат на электроэнергию, большая предсказуемость и стабильность
  • Эффективное и экономичное комбинированное теплоснабжение и электроснабжение
  • Высокий электрический КПД по сравнению с другими технологиями производства электроэнергии (т.е. паровые или газовые турбины)
  • Лучше всего подходит для диапазона электрической мощности от нескольких сотен кВт до 20-30 МВт
  • Требуется низкое давление газа
  • Альтернативная утилизация проблемного газа с одновременным использованием его в качестве источника энергии
  • Заменитель традиционного топлива
  • Экологические выгоды от сокращения выбросов парниковых газов

Компетенция по синтез-газу

Clarke Energy обладает обширным опытом в области технологии газовых двигателей и обширными знаниями в области обращения с опасными газами, такими как синтез-газ.Около 30 газовых двигателей Jenbacher в настоящее время работают либо на коксовом газе, либо на конвертерном газе LD. Подчеркивая техническую экспертизу Jenbacher, эти агрегаты недавно наработали в общей сложности более 1 миллиона часов. Кроме того, за счет использования этих «бесплатных» отходящих газов по сравнению с использованием природного газа для выработки электроэнергии предприятия Jenbacher, оснащенные технологией, достигли экономии примерно 2 миллионов тонн CO 2 с момента ввода в эксплуатацию. Если вы хотите узнать больше о том, как Clarke Energy может помочь вам в разработке проекта по утилизации свалочного газа, обратитесь в местный офис для получения более подробной информации.

C | Бесплатный полнотекстовый | Приготовление синтез-газа из CO2 для синтеза Фишера-Тропша – сравнение альтернативных конфигураций процесса

4.1. Массовый и энергетический баланс
Вход диоксида углерода был установлен на уровне 1000 кг / ч, а температура приготовления синтез-газа – 900 ° C для всех исследованных растений. Основные результаты моделирования сведены в Таблицу 3, а данные о потоках приведены для каждой конфигурации в Приложении A. Производительность синкрудирования составляет 162–177 кг / ч для установок с прямоточной конструкцией (162 кг / ч для OT-POX. , 176 кг / ч для OT-ER и 177 кг / ч для OT-COMB), и 208–285 кг / ч для установок с рециркуляцией (208 кг / ч для RC-COMB, 281 кг / ч для RC- POX и 285 кг / ч для RC-ER).Что касается η CO 2 , результаты составляют 50–55% для конструкций OT и 65–89% для конструкций RC. Точно так же, хотя меньшие различия могут наблюдаться для η термического , они составляют 33–36% для ОТ и 37–41% для RC при использовании низкотемпературной технологии электролизера AEC или PEM. Принимая во внимание технологию высокотемпературного электролизера SOEC, η термический составляет 48–54% для ОТ и 55–59% для RC. Результаты проиллюстрированы также на Рисунке 5, где отчетливо прослеживается более высокий η CO 2 RC-конструкций.

Также были обнаружены значительные возможности для рекуперации тепла, и при строительстве реальных заводов следует изучить способы найти ценное применение для тепла побочных продуктов. Это особенно актуально для низкотемпературных электролизеров AEC и PEM, где значительное количество побочного тепла выделяется при температуре 50–90 ° C, что подходит для большинства целей обогрева помещений. При использовании технологии SOEC более высокая эффективность системы по водороду приводит к заметно меньшему выделению тепла побочных продуктов, что делает интеграцию тепла с окружающими системами менее важной.Значительное количество пара может быть произведено из-за экзотермы реактора FT, что с точки зрения массового расхода хорошо соответствует потребностям электролизера SOEC в воде.

Во всех рассмотренных случаях электролизер явно доминирует в потреблении электроэнергии, составляя 97–99% от общего объема работы для конструкций COMB и POX и 85–93% для конструкций ER, где доля электрического сопротивления составляет 4–8% от общего объема. использование электричества.

4.2. Чувствительность к температуре подготовки синтез-газа
Чтобы проанализировать надежность наших результатов, мы изучили влияние температуры подготовки синтез-газа как на η термический , так и на η CO 2 .Поскольку проекты с повторным циклом показали лучшие результаты по обоим показателям по сравнению с проектами с однократным прохождением, мы только проиллюстрировали результаты для проектов RC на рис. 6.

Результаты нанесены на график в зависимости от температуры подготовки синтез-газа в диапазоне 750–950 ° C. Температуры ниже этого диапазона считались непрактичными из-за низкой конверсии CO 2 , ограниченной термодинамическим равновесием, в то время как более высокие температуры считались непрактичными с точки зрения материалов, учитывая реактор под давлением, работающий при 20 бар.

Как обсуждалось в разделе 2.2., Реакция rWGS термодинамически благоприятна при высоких температурах, и поэтому можно было бы ожидать, что η CO 2 будет увеличиваться вместе с повышением температуры. Согласно нашим результатам (Рисунок 6a), повышение температуры с 750 до 950 ° C действительно увеличивает эффективность использования углерода с 68% до 89% для RC-POX и с 71% до 91% для RC-ER, но несколько неожиданно. уменьшает его с 78% до 62% для RC-COMB.

Наблюдаемое поведение конфигурации RC-COMB можно объяснить сложным взаимодействием между температурой, конверсией метана и потребностью в топливном газе.По мере повышения температуры получения синтез-газа все больше метана (являющегося наиболее объемным из углеводородов C 1 –C 4 , образующихся во время синтеза FT) превращается в синтез-газ (CO и H 2 ), что снижает содержание метана в рецикле. поток. Поскольку риформинг метана является эндотермической реакцией, более высокая температура требует не только большего количества топливного газа для подачи ощутимого тепла, но и для стимулирования увеличенного количества реакций. Однако теперь топливный газ имеет более низкую теплотворную способность (поскольку он содержит меньше метана), и, следовательно, необходимо сжигать большее количество газа, что приводит к большим потерям углерода в виде топливного газа и, следовательно, к снижению углеродного КПД (для синкрудирования).

Аналогичное поведение можно наблюдать (рис. 6b) также для η термического . Когда температура приготовления синтез-газа увеличивается с 750 ° C до 950 ° C, термический КПД увеличивается с 31% до 38% для RC-POX и с 34% до 42% для RC-ER, но снижается с 38% до 36% для RC-COMB. . Эти результаты можно объяснить необходимостью контролировать накопление метана в контуре рециркуляции. В конфигурации RC-COMB использование топливного газа для подачи тепла одновременно удаляет метан, который в противном случае постепенно накапливался бы в контуре рециркуляции.Напротив, чтобы ограничить накопление метана в конструкциях RC-POX и RC-ER, часть рециркулирующего газа необходимо намеренно продувать, поскольку в этих конфигурациях не предусмотрено сжигание топливного газа. Поскольку метан не может быть удален из системы выборочно, компоненты синтез-газа также теряются вместе с метаном, что способствует снижению термического КПД (для синкрудирования). Однако с повышением температуры приготовления синтез-газа количество метана, циркулирующего в контуре, уменьшается, и требуется продувка меньшего количества газа, что приводит к уменьшению потерь и повышению эффективности.Это могло бы объяснить, почему повышение температуры приготовления синтез-газа улучшает η термический для конструкций RC-POX и RC-ER, но снижает его для RC-COMB.

Таким образом, с чисто энергетической точки зрения оптимальная температура подготовки синтез-газа для конструкции RC-COMB должна быть такой, при которой поток энергии метана точно соответствует тепловой нагрузке на стадии подготовки синтез-газа. При более низких температурах содержание метана в контуре рециркуляции увеличивается, в то время как потребность в тепле для подготовки синтез-газа снижается, что приводит к избытку метана в системе.При более высоких температурах содержание метана в контуре уменьшается, в то время как потребность в энергии для подготовки синтез-газа увеличивается, что приводит к дефициту метана в системе, который необходимо компенсировать за счет сжигания большего количества компонентов синтез-газа для получения энергии, которая в противном случае могла бы быть преобразована в топливо.

Судя по результатам, изменение температуры приготовления не влияет линейно на η CO2 и η термический во всем исследованном диапазоне. Для RC-POX и RC-ER с автотермическим нагревом повышение температуры сначала приводит к явному улучшению как для η CO2 , так и для η теплового , но преимущества начинают выравниваться после 850 ° C, будучи более выраженными для η термического , где прирост начинает стабилизироваться после 875 ° C и плато для RC-POX после 900 ° C.Для RC-COMB η CO2 постепенно снижается в исследованном температурном диапазоне, в то время как η термический остается постоянным до 800 ° C, прежде чем начать снижение.

На основании результатов RC-COMB достигает наивысшего теплового КПД в диапазоне температур 750–810 ° C, но автотермические конфигурации более эффективны при температуре выше 810 ° C. Более высокий КПД (от электричества до синкрудирования) RC-ER по сравнению с RC-POX можно объяснить более эффективным преобразованием электричества в высокотемпературное тепло через электрическое сопротивление, поскольку в конфигурации POX электрическая энергия сначала преобразуется в химическую энергию. при КПД 60% перед сгоранием.

Однако оптимальный выбор температуры реакции является не только вопросом энергетических соображений, но также необходимо учитывать другие факторы, такие как кинетика реакции и бесперебойная работа. При более высоких температурах реакции протекают быстрее, поэтому для достижения той же производительности можно использовать реакторы меньшего размера.

Как обсуждалось в разделе 2.2., Твердый углерод может образовываться внутри реактора при определенных температурах. В отсутствие углеводородов и при атмосферном давлении предельная температура углерода ниже 600 ° C, но увеличивается примерно до 700 ° C при работе под давлением 20 бар.В конфигурациях с рециркуляцией, когда в реакторе присутствуют углеводороды от последующего синтеза FT, образование твердого углерода может стать серьезной проблемой для бесперебойной работы. Однако такие проблемы коксования можно уменьшить, увеличив температуру реакции примерно до 900 ° C и используя подачу кислорода [27].

Принимая во внимание вышеуказанные соображения, результаты свидетельствуют в пользу использования конструкций RC-ER и RC-POX по сравнению с RC-COMB. Однако, хотя наше моделирование позволяет лучше понять поведение исследуемых конфигураций, необходимы дополнительные исследования и экспериментальные данные для дальнейшего выбора оптимальной рабочей температуры.

Synthesis Energy Systems, Inc

Газификация – это комбинация молекулярно-химических реакций, которые преобразуют сложные углеводороды и более дешевые источники энергии, такие как уголь, твердые бытовые отходы (ТБО). и материалы биомассы в синтез-газ или «синтез-газ», который обычно определяют как молекулы водорода (H 2 ) и монооксида углерода (CO). Эти синтетические газы молекулы являются строительными блоками для многочисленных и разнообразных продуктов, таких как электричество, топливо и другие ценные энергетические продукты, а также химические вещества и прекурсоры, которые традиционно использовались производится из природного газа или сырой нефти.Газификация – это экономичный и эффективный способ производства этих продукты из местных богатых и доступных природных ресурсов или ТБО.

Газификатор – это сосуд, в котором происходят реакции химического преобразования углеводородных ресурсов в синтез-газ. Обычно газификация происходит под давлением в диапазоне от атмосферных условий до 55 бар (изб.). Для газификации требуется ограниченное количество кислорода, меньше, чем для сжигания, поскольку возникающие цепные реакции более термически эффективны с балансом экзотермических и эндотермических составляющих реакций.Обычно температура реакции, необходимая для газификации, находится в диапазоне 900-3000 ° F (480-1650 ° C). Пар или вода и окислитель плюс источник углеводородов необходимы для протекания и поддержания реакций газификации.

Продукты и побочные продукты газификации включают синтез-газ – газообразную форму водорода (H 2 ), оксид углерода (CO), диоксид углерода (CO 2 ), воду (H 2 O), метан (CH 4 ), сероводород (H 2 S) и COS (если сера присутствует в исходном сырье), азот (N 2 ) и другие соединения в уменьшенном количестве – зола, тепло и вода.

Процесс газификации принципиально чистый и безвредный для окружающей среды, поскольку он касается реагентов и продуктов с их низкомолекулярными составляющими. форма. Сложное органическое сырье превращается в простые молекулы с металлами и другими следами неорганических примесей, остеклованными в побочном продукте золы. могут быть безопасно утилизированы или перепроданы. Последующая переработка синтез-газа часто проста и рентабельна, поскольку отходы уже удалены.

Синтез-газ, полученный в результате газификации, заменяет природный газ и сырую нефть для образования множества энергетических и химических продуктов. Когда дешевое сырье доступно и используется для конверсии, эти продукты экономически конкурентоспособны с продуктами, полученными из природного газа и нефти, и часто имеют меньшее воздействие на окружающую среду.

Обзор кислородных носителей

Конверсия метана в синтез-газ с использованием концепции химического цикла – это новый метод получения синтез-газа.Этот процесс основан на переносе газообразного источника кислорода в топливо (например, метан) посредством циклического процесса с использованием твердых оксидов в качестве переносчиков кислорода во избежание прямого контакта между топливом и газообразным кислородом. Синтез-газ образуется в результате реакции газ-твердое вещество между метаном и твердыми оксидами (переносчиками кислорода), а затем восстановленные переносчики кислорода могут быть регенерированы газообразным окислителем, таким как воздух или вода. Носитель кислорода рециркулируют между двумя стадиями, а синтез-газ с соотношением H 2 / CO = 2.0 можно получить последовательно. Вместо чистого кислорода используется воздух, что обеспечивает значительную экономию средств, а отделение топлива от газообразного окислителя позволяет избежать риска взрыва и разбавления получаемого газа азотом. Дизайн и разработка подходящих переносчиков кислорода является ключевым вопросом для оптимизации этого метода. В качестве одного из наиболее интересных материалов для хранения кислорода этому процессу уделялось большое внимание оксидам оксида церия и перовскита. В этой статье кратко представлены результаты последних исследований переносчиков кислорода, используемых в химическом циклическом селективном окислении метана (CLSOM) в синтез-газ.

1. Введение

Метан, основная составляющая природного газа и газа угольных пластов, является отличным сырьем для производства топлива и химикатов [1]. Преобразование метана в продукты с добавленной стоимостью может быть достигнуто двумя способами: либо через синтез-газ (смесь CO и H 2 ) в качестве промежуточного продукта, либо непосредственно в углеводороды C 2 и более высокие. Поскольку прямая каталитическая конверсия метана неэффективна, почти все коммерческие процессы крупномасштабного химического использования метана, такие как синтез Фишера-Тропша, производство метанола или диметилового эфира, включают синтез-газ [2].

Производство синтез-газа из метана может быть достигнуто тремя способами: риформинг с водяным паром (SMR), риформинг диоксида углерода (CDR) и частичное окисление метана (POM) [3]. Все две реакции риформинга в высокой степени эндотермичны и работают при высокой температуре и высоком давлении, что называется дорогостоящими химическими процессами. Технология POM, напротив, представляет собой умеренно экзотермический путь, который снижает энергозатраты и капитальные затраты, чем способы риформинга. Кроме того, он также обеспечивает превосходный выход синтез-газа в компактных реакторах благодаря высокой скорости реакции и селективности продукта [3–5].Однако эта технология требует дополнительных мер безопасности, чтобы избежать риска взрыва из-за предварительного смешивания смеси CH 4 / O 2 и подачи чистого кислорода, чтобы избежать разбавления синтез-газа азотом и образования [6], который частично компенсирует его преимущества в экономии энергии и капитальных затрат. Чтобы избежать таких проблем, было предложено использовать концепцию химического зацикливания в технологии POM.

2. Концепция химического цикла

Термин «химический цикл» – это новая концепция конверсии топлива, которая основана на переносе кислорода из газообразного источника кислорода в топливо посредством циклического процесса с использованием твердых оксидов в качестве кислорода. носители, чтобы избежать прямого контакта топлива с газообразным кислородом [7].В случае метана в качестве топлива схема химического цикла была показана на рисунке 1. Решеточный кислород в переносчиках кислорода использовался для окисления метана, а затем восстановленные переносчики кислорода могут быть повторно окислены газообразным окислителем для восстановления его исходного состояния. . В этой методике используются два соединенных между собой реактора или система псевдоожиженного слоя для обеспечения циркуляции носителя кислорода между стадиями окисления и восстановления.


Первая конструкция, использующая эту концепцию, была разработана для выработки электроэнергии, которая известна под общим термином «горение с химическим контуром» (CLC).Для этого процесса переносчик кислорода может преобразовывать топливо в H 2 O и CO 2 , а восстановленные переносчики кислорода должны повторно окисляться воздухом. Из-за отделения топлива от воздуха эта технология определена как обладающая неотъемлемыми преимуществами для отделения CO 2 с минимальными потерями энергии [8]. Дальнейшие разработки этой концепции были использованы при производстве синтез-газа из метана. После окисления метана до CO 2 и H 2 O носителями кислорода побочные газы (CO 2 и H 2 O) были введены в другой реактор (реактор риформинга) для риформинга с дополнительным количеством метана. для производства синтез-газа в присутствии катализатора риформинга (например,г., Ni / Al 2 O 3 ) [9, 10]. Поскольку процесс дополнительного риформинга является сильно эндотермической реакцией, требующей большого количества энергии, эта технология не совсем идеальна для производства синтез-газа.

С другой стороны, прямое производство синтез-газа путем реакции между переносчиками кислорода и метаном более приемлемо, но для этого процесса требуется способность переносчика кислорода избирательно окислять метан. Впервые эта идея была реализована на носителе кислорода CeO 2 , и авторы также предположили, что восстановленный носитель кислорода может быть повторно окислен H 2 O с одновременным получением H 2 [11, 12].В этом случае разработка подходящих переносчиков кислорода с высокой активностью, селективностью и окислительно-восстановительной стабильностью для селективного окисления метана является ключевым вопросом для этой технологии.

По сравнению с традиционным процессом POM, концепция химического цикла позволяет использовать воздух вместо чистого кислорода в качестве источника кислорода без разбавления получаемого газа азотом, что приводит к значительной экономии затрат. Использование H 2 O в качестве окислителя (двухстадийный процесс SRM) дает возможность совместного производства чистого водорода без разделения оборудования и синтез-газа с соотношением H 2 / CO, равным 2.0, который идеально подходит для основных последующих процессов, таких как производство метанола или синтез Фишера-Тропша. В данной статье в основном обсуждаются достижения в области переносчиков кислорода для этой технологии.

3. Носители кислорода для химического циклического избирательного окисления метана (CLSOM)

Концепция химического цикла включает использование процесса окислительно-восстановительного цикла выбранных переносчиков кислорода для осуществления селективного окисления метана в синтез-газ. Выход синтез-газа зависит от активности и селективности кислорода в переносчиках кислорода.В этом случае выбор кислородного носителя, который основан на понимании механизма реакции селективного окисления метана в отсутствие газообразного кислорода, рассматривается как один из наиболее важных компонентов процесса CLSOM.

Для процесса CLC предполагается, что переносчики кислорода должны обладать следующими химическими свойствами [7, 8]: (i) достаточная емкость хранения и транспортировки кислорода; (ii) высокая реакционная способность как в восстановительном, так и в окислительном циклах; (iii) способность полностью сжечь топливо; (iv) способность противостоять агломерации и отложению углерода.Этот список также относится к переносчикам кислорода CLSOM, за исключением третьего (iii), который следует изменить на «способность избирательно окислять топливо».

Большая часть предыдущей технической литературы по CLSOM была сосредоточена на разработке подходящих материалов-носителей кислорода для селективного окисления метана. Наибольшее внимание уделялось материалам на основе церия и оксидам типа перовскита из-за их высокой активности кислорода в решетке, превосходных окислительно-восстановительных свойств и хорошей термической стабильности.

3.1. Носители кислорода на основе CeO
2

Селективное окисление метана до CO и H 2 (синтез-газ) в результате реакции газ-твердое тело было впервые достигнуто на носителе кислорода CeO 2 [11, 12].Реакция между метаном и CeO 2 может протекать по четырем уравнениям: Термодинамические соображения для реакций в (1) – (4) показаны на рисунке 2. Ясно, что полное окисление метана до CO 2 и H 2 O с помощью CeO 2 (реакция (1) ) термодинамически невозможно при температуре ниже 1000 ° C, а получение синтез-газа путем селективного окисления метана CeO 2 является благоприятным при температурах реакции ≥ 700 ° C.Экспериментальные результаты подтвердили термодинамический анализ [12]. Это показывает, что синтез-газ с соотношением H 2 / CO 2,0 действительно был получен в результате реакции газ-твердое вещество между метаном и CeO 2 при 700 ° C, а степень восстановления CeO 2 достигла 21% с платиной в качестве катализатор, предполагая, что почти весь CeO 2 был восстановлен до Ce 2 O 3 . Это указывает на то, что окисление метана над CeO 2 может происходить следующим образом (2) в присутствии платины.


Fathi et al. [13] также исследовали реакцию между метаном и CeO 2 с γ -Al 2 O 3 в качестве носителя и Pt или Rh в качестве промотора. Они заметили, что селективность к синтез-газу зависит от степени восстановления CeO 2 . Количество CO 2 и H 2 O было получено на ранней стадии реакции, а затем селективность синтез-газа быстро увеличивалась со степенью восстановления оксида церия.Промоторы Pt или Rh могут снизить температуру, необходимую для восстановления оксида церия, но также могут привести к образованию отложений углерода. Pantu et al. [6] обнаружили, что площадь поверхности образца Pt / CeO 2 влияет на скорость образования синтез-газа: конверсия метана немного увеличивается, а селективность синтез-газа немного снижается с увеличением площади поверхности. Это указывает на то, что эфир с большой или низкой площадью поверхности носителя кислорода снижает выход синтез-газа. Они также отметили, что не было значительного влияния загрузки Pt на активность CeO 2 в отношении окисления метана, и различия в дисперсии металла на CeO 2 несущественны.

Wei et al. [14] исследовали влияние нагрузки CeO 2 на реакционную способность CeO 2 / γ -Al 2 O 3 кислородного носителя для селективного окисления метана в отсутствие платинового катализатора. Результаты показали, что более высокая загрузка CeO 2 серьезно снизит селективность синтез-газа. Другим важным нововведением в этой статье является использование системы расплавленных солей в качестве теплоносителя, что позволяет избежать агломерации циркулирующих частиц и повысить термический КПД всей реакционной системы.

Принято считать, что добавление Zr 4+ может повысить способность аккумулировать кислород за счет увеличения кислородных вакансий в оксиде церия. Otsuka et al. [15] проверили реакционную способность для прямого превращения метана в синтез-газ реакциями газ-твердое тело. Скорости образования H 2 и CO были увеличены, а энергия активации заметно снизилась из-за включения ZrO 2 в CeO 2 . Превращение CH 4 в H 2 и CO может быть достигнуто при температуре всего 500 ° C с использованием Ce 0.8 Zr 0,2 O 2 в присутствии Pt, что на 200 ° C ниже, чем у образца CeO 2 . Pantu et al. [6] наблюдали, что добавление ZrO 2 к CeO 2 значительно увеличивает скорость окисления метана и восстанавливаемость CeO 2 , но снижает селективность по H 2 и CO. Wei et al. [16] также сообщили о подобном наблюдении при использовании в качестве переносчика кислорода, но они обнаружили, что материалы, обогащенные ZrO 2 , обладают лучшей активностью и стабильностью.

Канг и Эйринг [17, 18] исследовали активность системы Ce-Zr-Tb-O в окислении метана и обнаружили, что способность переносить кислород и способность аккумулировать кислород одинаково важны для генерации синтез-газа. Реакционная способность оксидов диоксида церия-циркония, легированных Pr, Gd или La, в отношении конверсии метана была также исследована с помощью технологии CH 4 -TPR и экспериментов по уменьшению импульсов, и было доказано, что образец, легированный Pr, показал хорошую активность в отношении образования синтез-газа [ 19]. Реакция между метаном и кислородным носителем Ce – Zr-Pr-O с Pt в качестве катализатора при высоких температурах контролируется решеточной диффузией кислорода, в то время как реакционная способность слабосвязанного поверхностного кислорода определяет активность смешанных оксидов при самой низкой температуре (~ 550 ° С).

Садыков и др. [20] разработали включение катионов Sm 3+ и Bi 3+ в решетку диоксида церия для увеличения подвижности кислорода при одновременном увеличении скорости диссоциации метана за счет поддержки Pt, и результаты также сравнивались с Pt / Ce-Zr -La-O смешанные оксиды. Было показано, что только оксидная система на основе Ce-Sm является перспективной для селективного окисления метана посредством реакции газ-твердое тело из-за высокой подвижности и реакционной способности решеточного кислорода, хорошей селективности для генерации синтез-газа и высокой стабильности в окислительно-восстановительных циклах.Селективное превращение метана в синтез-газ кислородом решетки зависит не только от пути его первичной активации (т. Е. От нанесенных кластеров Pt), но и от особенностей превращения активированных фрагментов на поверхности носителя при условии подвижности решеточного кислорода, которая сопоставимы.

Несколько отчетов показали, что окислительная активность и окислительно-восстановительные свойства оксида церия могут быть значительно усилены добавлением Fe 3+ из-за образования поверхностных структурных дефектов и твердого раствора Ce-Fe [21–25].Кроме того, модифицированные оксиды железа могут также производить CO и H 2 путем восстановления метаном в соответствующих условиях [26, 27], и что частицы железа могут сильно усиливать адсорбцию метана [28]. Fe 2 O 3 , возможно, является наиболее распространенным и одним из самых дешевых оксидов металлов, доступных в природе, а Fe 3+ очень подходят в качестве легирующей добавки для улучшения характеристик оксида церия [29, 30]. Комбинация CeO 2 и Fe 2 O 3 дает людям очень большие надежды на получение привлекательных переносчиков кислорода для селективного окисления метана.В связи с этим большое внимание привлекло исследование возможности использования композита CeO 2 -Fe 2 O 3 в качестве переносчика кислорода для селективного окисления метана [31–41] .

Сообщалось, что смешанные оксиды CeO 2 -Fe 2 O 3 обладают хорошей активностью, селективностью и стабильностью для получения синтез-газа посредством реакций газ-твердое тело, как показано на Рисунке 3, и взаимодействием между экспонированный твердый раствор Fe 2 O 3 и Ce-Fe в носителе кислорода играет важную роль в образовании синтез-газа [36].Кроме того, дисперсия поверхности Fe 2 O 3 и образование твердого раствора Ce-Fe были усилены окислительно-восстановительной обработкой, которая сделала переносчик кислорода очень стабильным при последовательном образовании синтез-газа [36]. Селективность смешанных оксидов Ce-Fe для производства синтез-газа сильно зависит от удельной поверхности переносчиков кислорода, и большая площадь поверхности приведет к обильному поверхностному адсорбированному кислороду, способствующему полному окислению метана до диоксида углерода и воды [42].


Для процесса реакции между метаном и смешанными оксидами Ce-Fe [36] было обнаружено, что метан адсорбируется и активируется на центрах восстановленного железа и церия, а последующее окисление активированного метана зависит от подвижности кислорода в решетке. переносчик кислорода. Дисперсность поверхностных частиц железа и наличие кислородной вакансии в смешанных оксидах Ce-Fe, в свою очередь, заметно влияют на скорость образования синтез-газа, а сильные взаимодействия между дисперсными частицами Fe и твердым раствором Ce-Fe оказывают отчетливое положительное влияние на каталитический эффект. активность по селективному окислению метана.

Сравнение смешанных оксидов Ce-Zr и Ce-Fe показало, что эти два образца показали аналогичную активность в отношении окисления метана, но образец Ce-Fe показал более высокую селективность синтез-газа, как показано на Рисунке 4 [33]. Добавление ZrO 2 в систему CeO 2 -Fe 2 O 3 может усилить взаимодействие между оксидами железа и церия за счет увеличения концентрации кислородных вакансий и улучшения дисперсии свободного Fe 2 O 3 , что повысило активность смешанных оксидов Ce-Fe для селективного окисления метана.Однако сильная загрузка ZrO 2 приведет к фазовой сегрегации CeO 2 и Fe 2 O 3 из твердого раствора Ce-Fe, что приведет к снижению селективности синтез-газа [34].

Было также исследовано влияние носителей (Al 2 O 3 , SiO 2 и MgO) на активность и селективность смешанных оксидов Ce-Fe-Zr для селективного окисления метана [40]. Al 2 O 3 носитель может привести к полному окислению метана, а SiO 2 очевидно снижает реакционную способность смешанных оксидов Ce-Fe-Zr.С другой стороны, поддержка MgO значительно увеличила активность и селективность переносчиков кислорода Ce-Fe-Zr для генерации синтез-газа.

Ce-Cu-O, Ce-Mn-O, Ce-Nb-O и Ce-Ni-O также рассматривались как переносчики кислорода при окислении метана [38, 43–45]. По сравнению со смешанными оксидами Ce-Fe, переносчики кислорода Ce-Cu-O и Ce-Mn-O более благоприятны для полного окисления метана [38], а Ce-Ni-O приведет к разложению метана, когда Ni загрузка слишком высока [44]. Для системы Ce-Nb-O наблюдалось дальнейшее окисление водорода до воды, и основным продуктом были CO и H 2 O [45].Для всех носителей кислорода на основе оксида церия очень легко осуществить процесс повторного окисления воздухом.

3.2. Перовскитные переносчики кислорода

Перовскитовые оксиды с кристаллической структурой типа ABO 3 обычно демонстрируют превосходные окислительно-восстановительные свойства, высокую подвижность кислорода и термическую стабильность, которые могут использоваться во многих реакциях, связанных с окислительно-восстановительным процессом, таких как каталитическая очистка автомобильной выхлопные и твердооксидные топливные элементы (ТОТЭ) [46–50]. Известный оксид перовскита LaFeO 3 был впервые выбран для селективного окисления метана Dai et al.[51, 52], и его производительность сравнивалась с NdFeO 3 и EuFeO 3 . Способность AFeO 3 (A = La, Nd и Eu) накапливать и переносить кислород связана с расстоянием связи Fe – O и меньшим расстоянием при более низкой активности кислорода. Скорость реакции между метаном AFeO 3 сильно зависит от температуры реакции, и для получения высокого выхода синтез-газа необходима высокая температура (> 800 ° C). Оксид LaFeO 3 демонстрирует лучшие характеристики среди этих испытанных оксидов AFeO 3 (A = La, Nd и Eu) для производства синтез-газа, а также поддерживает высокую каталитическую активность и структурную стабильность в окислительно-восстановительном эксперименте между метаном и воздухом. при 900 ° С.Было также замечено, что восстановление LaFeO 3 метаном осуществлялось путем восстановления Fe 3+ до Fe 2+ , и дальнейшее восстановление очень затруднительно [53]. Они также исследовали окислительно-восстановительные свойства LaFeO 3 для последовательной генерации синтез-газа в реакторе с циркулирующим псевдоожиженным слоем (CFB) [54]. Он показал, что метан может быть окислен до синтез-газа кислородом решетки с высокой селективностью, а обедненные формы кислорода могут быть регенерированы в условиях CFB.Конверсия метана остается на уровне 60–70% с селективностью по CO ок. 96% в течение 30 окислительно-восстановительных циклов. Однако в этой статье не рассматривались механические характеристики переносчиков кислорода в окислительно-восстановительном процессе, и предлагается уделять большое внимание сопротивлению истиранию для процесса CFB.

Li et al. [55, 56] добавили Sr в систему LaFeO 3 для частичного замещения центров La и исследовали эти характеристики оксида La 0,8 Sr 0,2 FeO 3 для селективного окисления метана.Они предположили, что на оксиде присутствуют два вида кислорода: (i) активные формы кислорода (слабосвязанные формы кислорода), которые отвечают за полное окисление метана, и (ii) более слабые формы кислорода (сильно связанные формы кислорода), которые ответственны за частичное окисление метана до синтез-газа. Это похоже на наблюдение Greish et al. [57]. Метан сначала реагирует с активными формами кислорода с образованием CO 2 и H 2 O, а затем более слабые формы кислорода могут окислять метан до CO и H 2 с высокой селективностью.

С другой стороны, было обнаружено, что замена Sr на La увеличивает кислородную емкость этих материалов, но снижает селективность по синтез-газу и реакционную способность по отношению к CH 4 [58]. Добавление Cr, Ni и Cu в перовскитную систему La-Sr-Fe-O для частичной замены центров Fe может улучшить реакционную способность для конверсии метана [59], в то время как включение ионов Co в смесь La-Sr-Fe-O оксиды могут повысить активность этого материала при горении метана [58] и снизить стабильность при окислительно-восстановительных испытаниях [60].La 0,7 Sr 0,3 Cr 0,1 Fe 0,9 O 3 с физически смешанным NiO в качестве катализатора показал хорошую активность и стабильность в окислительно-восстановительных испытаниях [59]. Улучшение производства синтез-газа и стабильности материала также наблюдалось по сравнению с системой NiO / из-за присутствия открытых частиц NiO, но присутствие NiO также улучшало каталитическую активность при разложении метана, что приводило к образованию отложений углерода [61 ].

(M = Mn, Ni) и LaMnO 3 – α F β оксиды перовскита также были исследованы в качестве переносчиков кислорода при окислении метана [62].Предполагается, что реакционная способность и селективность решеточного кислорода зависят от (i) элемента в позиции B, (ii) степени замещения La на Sr и (iii) фторирования оксида перовскита. С относительно низкой степенью замещения Sr и фторированный LaMnO 3- α F являются подходящими переносчиками кислорода для получения синтез-газа. Высокая степень замещения La на Sr увеличивает реакционную способность решеточного кислорода, но снижает селективность по отношению к синтез-газу. Evdou et al. [61] наблюдали, что степень восстановления оксидов метаном зависит от содержания Sr и температуры реакции.

оксиды перовскита с никелем в качестве катализатора были также исследованы для окисления метана в отсутствие кислорода в газовой фазе [63]. На основании температурно-запрограммированной поверхностной реакции метана (TPSR-CH 4 ) и результатов импульсной реакции они обнаружили, что восстанавливаемость катиона B (ABO 3 ) и анионная проводимость материала сильно влияют на активность и селективность. переносчиков кислорода. Также наблюдается, что Ni / BaTi 0,3 In 0.7 O 3 Носитель кислорода был более стабильным, чем Ni / BaTiO 3 , из-за существования сплавов Ni-In, которые относительно инертны для катализа реакции крекинга.

3.3. Другие переносчики кислорода

Fe 2 O 3 в качестве переносчика кислорода было доказано, что он обладает способностью к горению метана [7, 8], но добавление других подходящих оксидов может изменить селективность его решеточного кислорода для селективного окисления метана. в синтез-газ. Fe 2 O 3 -Rh 2 O 3 / Y 2 O 3 и Fe 2 O 3 -Cr 2 O 3 -MgO оксиды были обнаружены до быть активным для производства синтез-газа с умеренной конверсией метана и селективностью [64].Также доказано, что объединение CuO и Fe 2 O 3 с образованием Cu-феррита могло бы получить подходящий носитель кислорода для селективного окисления метана. Cha et al. [65, 66] исследовали реакционную способность / Ce-ZrO 2 () для селективного окисления метана, и результаты показали, что Cu-феррит подавляет осаждение углерода и способствует реакционной способности с метаном для получения синтез-газа. С другой стороны, поскольку кислород решетки от Fe 2 O 3 до Fe 3 O 4 может полностью окислять метан до CO 2 и H 2 O, окислительно-восстановительный потенциал FeO / Fe 3 O 4 было предложено преобразовать метан в синтез-газ с помощью стадии химического цикла [67].

Материалы на основе NiO также использовались для селективного окисления метана, но значительное количество CO 2 и H 2 O наблюдалось в продуктах над NiO, NiO / γ -Al 2 O 3 , NiO / α -Al 2 O 3 и NiO / Mg-ZrO 2 переносчиков кислорода [68–73]. Во время реакции между метаном и оксидами на основе NiO выход синтез-газа зависит от степени окисления переносчиков кислорода: сильно окисленные частицы оксида приводят к образованию CO 2 и H 2 O, тогда как восстановленные частицы могут производить CO и H 2 [70, 74].Добавление Cr 2 O 3 в систему NiO-MgO может изменить реакционную способность решеточного кислорода в материалах, и полностью окисленный NiO-Cr 2 O 3 -MgO дает H 2 и CO с высокая селективность при реакции с CH 4 [64, 75]. Появление NiAl 2 O 4 также могло снизить активность кислорода в материале и способствовать образованию H 2 и CO [76].

Основываясь на предыдущих обсуждениях, носитель кислорода на основе CeO 2 может превращать метан в синтез-газ при относительно низких температурах (ок.700 ° C) в присутствии промотора Pt, но необходимо улучшить окислительно-восстановительную стабильность переносчиков кислорода. Переносчики кислорода типа перовскита обладают высокой селективностью и окислительно-восстановительной стабильностью для получения синтез-газа, но они активны только при высоких температурах (около 850 ° C). Для носителей кислорода на основе Fe 2 O 3 и NiO большое количество CO 2 и H 2 O было произведено во время реакции газ-твердое тело между носителем кислорода и метаном. Хотя добавление подходящих промоторов могло бы улучшить селективность переносчиков кислорода для получения синтез-газа, оно также снизило реакционную способность для конверсии метана.Среди различных переносчиков кислорода переносчики кислорода типа перовскита являются более конкурентоспособными для процесса CLSOM, если их активность может быть усилена модификациями структуры. С другой стороны, использование различных комбинаций катализаторов (например, комбинаций носителей кислорода типа перовскита или CeO 2 -ZrO 2 с частицами Ni или Fe) также может обеспечить более высокую эффективность генерации синтез-газа.

4. Выводы

Селективное окисление метана с химическим циклом (CLSOM) – перспективный, энергоэффективный и недорогой способ получения синтез-газа.Однако в настоящее время эта технология не полностью разработана для крупномасштабного внедрения, и необходимы ценные исследования для решения важных вопросов, связанных с этой технологией. В настоящее время по этой технологии выполнено множество работ, и большая часть предыдущей технической литературы была сосредоточена на разработке подходящих материалов-носителей кислорода. После просмотра таких ссылок было обнаружено, что подходящий носитель кислорода должен обладать большим количеством активных центров для активации метана, высокой емкостью хранения кислорода и хорошей подвижностью кислорода.Это открытие дает полезные ссылки для дальнейшего развития высокоэффективных переносчиков кислорода.

Из-за двухступенчатого окислительно-восстановительного процесса химическая инженерия всего процесса на самом деле является ключевым фактором успеха в практическом применении, а конкретная выбранная конструкция реактора очень важна. При использовании реактора с псевдоожиженным слоем следует уделять большое внимание механическим характеристикам переносчиков кислорода. Кроме того, поскольку реакция между метаном и переносчиками кислорода является эндотермической, в то время как повторное окисление восстановленных переносчиков кислорода является экзотермической реакцией, энергоэффективность всего процесса сильно зависит от передачи тепла от экзотермической реакции к эндотермической реакции.Этот вопрос также очень важен для практического применения этой технологии.

Выражение признательности

Эта статья была поддержана Национальным фондом естественных наук Китая (проекты № 51004060 и 51174105), Национальным фондом защиты докторских диссертаций Куньминского университета науки и технологий, Фондом естественных наук провинции Юньнань (№ 2010ZC018). ), и проект сотрудничества школы и предприятия от Jinchuan Corporation (№ Jinchuan 201115).

Компактный процесс производства синтез-газа для снижения выбросов CO2, процесс AATG / По классификации технологий | Технология | OSAKA GAS

Компактный процесс производства синтез-газа для экономии выбросов CO

2 , процесс AATG

Обзор

Экологически чистый природный газ привлекает международное внимание как альтернатива нефти. Однако природный газ с малых и средних газовых месторождений, на который приходится значительная часть мировых запасов природного газа, и попутный газ с месторождений остаются неиспользованными из-за неуверенной рентабельности бизнеса.Существует острая необходимость в развитии конверсии газа в жидкое топливо (GTL) в качестве ключевой технологии, способствующей использованию такого природного газа.
В процессе GTL природный газ сначала превращается в синтетический газ, состоящий в основном из водорода и окиси углерода, из которых производятся жидкости, такие как дизельное топливо, керосин, метанол и диметиловый эфир (DME).
Интерес к продукции GTL объясняется разными причинами. Их можно транспортировать и хранить при нормальных температурах, используя существующую инфраструктуру.Кроме того, продукты GTL чище, чем топливо на основе нефти, поскольку выхлопные газы содержат значительно более низкие уровни твердых частиц (PM) и NOx и не содержат SOx.
Osaka Gas работает над разработкой2 нового процесса синтеза газа (процесс AATG), используя многолетний опыт компании в технологии катализаторов, применяемых в системах производства водорода на месте, системах производства водорода на топливных элементах и ​​т. Д.
Мы провели демонстрационные испытания в масштабе пилотной установки (мощность установки: ок.2,000 Нм 3 / ч), который показал, что процесс AATG обеспечивает безопасное и стабильное получение синтетического газа. Более того, полученные нами инженерные данные показывают, что процесс AATG превосходит традиционные методы с точки зрения стоимости строительства и выбросов CO 2 от производственных процессов. Для производства продуктов GTL из попутного газа на морском нефтяном месторождении необходимо синтезировать газы на плавучей системе добычи, хранения и отгрузки (FPSO) или других морских объектах.Поскольку газообразный кислород высокой чистоты может быть недоступен в качестве окислителя для таких предприятий, в 2008 финансовом году мы начали демонстрационные испытания процесса AATG с использованием газообразного кислорода и воздуха низкой чистоты. Полученные до сих пор результаты испытаний благоприятны.
Процесс AATG подходит не только для процесса производства синтез-газа для систем GTL, но также для процесса производства синтез-газа, используемого для производства аммиака, метанола и ДМЭ. Osaka Gas продвигает внедрение процесса в системах синтеза газа для коммерческого использования на химических заводах в Японии.

■ Награды, полученные Osaka Gas за AATG

  • Специальная награда за продвижение инженерных разработок за 2009 финансовый год от Японской ассоциации инженерного развития.
  • Премия за достижения в области технологий за 2011 финансовый год (технический отдел) Японского института энергетики.

Характеристики

  1. 1. Процесс AATG 1 , разработанный для производства синтетического газа (газовая смесь CO и H 2 ) из природного газа путем каталитического частичного окисления, подходит для производства GTL и других различных применений, где синтетические газы используются в качестве сырье для производства метанола, аммиака и т.п.
  2. 2. Снижает стоимость строительства и места для установки, так как это упрощенный процесс и состоит из компактных помещений.
  3. 3. Снижает выбросы CO 2 в производственных процессах, так как работает с меньшим количеством огневых нагревателей.
  4. 4. Подходит для установок синтеза газа, используемых при добыче жидких углеводородов на шельфе из попутного газа, поскольку для этого процесса требуются только простые и компактные установки и уменьшенные огневые нагреватели.
  5. 5.Обеспечивает сокращение выбросов CO 2 и эффективное использование энергии за счет использования попутного газа, который до сих пор сжигался и выбрасывался впустую, для производства GTL.

Применение в процессе производства синтез-газа для установок по производству GTL

Процесс AATG – это процесс производства синтез-газа, в котором сочетаются высокоэффективная десульфуризация, разработанная Osaka Gas, и каталитическое частичное окисление.По сравнению с традиционным процессом, сочетающим паровой риформинг и автотермический риформинг (ATR) с использованием горелки, процесс AATG имеет следующие особенности.

  1. 1. Обычный процесс требует установки предварительного риформинга для парового риформинга, огневого нагревателя для обеспечения необходимого тепла для парового риформинга и установки риформинга с горелкой. Напротив, процесс AATG – это очень простой процесс, который производит синтетический газ только в одном каталитическом реакторе с неподвижным слоем без использования горелки.
  2. 2.Размер реактора может быть значительно меньше, поскольку процесс AATG работает с более высокой объемной скоростью (SV: 1 / ч), чем в обычном процессе. Osaka Gas разработала высокоэффективный катализатор обессеривания. Этот катализатор обеспечивает десульфуризацию на уровне частей на миллиард, намного лучше, чем обычные уровни частей на миллион, тем самым защищая катализатор в реакторе AATG от отравления серой и поддерживая производительность катализатора, заполненного в реакторе AATG, в течение длительного периода времени.
  3. 3.Простой процесс и компактный реактор приводят к снижению стоимости конструкции системы по сравнению с традиционным процессом.
  4. 4. Отсутствие огневых нагревателей приводит к снижению выбросов CO 2 в процессе синтеза газа по сравнению с традиционным процессом.
  5. 5. В реакторе AATG используется катализатор, который инициирует стабильное окисление даже при температуре на входе в реактор 300 ° C или ниже и позволяет использовать более низкую пиковую температуру внутри слоя катализатора из-за высокой активности эндотермического риформинга с водяным паром.
  6. 6. Процесс AATG не дает сажи, потому что окисление и паровой риформинг происходят одновременно в слое катализатора, тогда как в обычном процессе серьезной проблемой является минимизация образования сажи в реакторе, оборудованном горелкой.

Технология, альтернативная сжиганию попутного газа / Технология утилизации попутного газа

Если нефтяное месторождение находится недалеко от области потребления энергии, есть несколько способов использования попутного газа с месторождения.Попутный газ можно транспортировать по трубопроводу и потреблять как городской газ. В качестве альтернативы можно построить электростанцию ​​рядом с месторождением, где электроэнергия будет передаваться по линии передачи электроэнергии. Если месторождение находится в удаленном от энергопотребляющих районов месте и невозможно закачать обратно в нефтяную скважину, попутный газ необходимо сжигать на факеле. В общей сложности около 150 миллиардов кубометров 3 попутного газа в год (что составляет примерно 5% годового производства СПГ в мире) сжигается на планете, но не используется в качестве источника энергии, но при этом выделяется углекислый газ в атмосферу.
В последние годы количество морских нефтяных месторождений, удаленных от энергоемких районов, увеличивается, что создает проблему эффективного использования попутного газа. Одним из решений является производство GTL с использованием попутного газа в качестве сырья. По сравнению со сжиганием на факеле это решение приведет к сокращению выбросов углекислого газа примерно на 50% и, кроме того, продуктов GTL для эффективного использования энергии.
Процесс AATG прост и компактен и позволяет сократить количество пламенных нагревателей. Эти особенности делают процесс пригодным для процесса производства синтез-газа для использования на морских установках GTL, которые используют попутный газ в качестве сырья, поскольку в таких приложениях пространство для установки ограничено.

Применение в процессе производства синтез-газа для отечественной химической промышленности

Osaka Gas продвигает внедрение коммерческих систем в той мере, в какой технология эффективна, что подтверждается экспериментальной установкой.

Опытная установка

AATG – зарегистрированная торговая марка Osaka Gas Co., Ltd. и JGC Corporation.

Ученые настраивают систему для создания «синтез-газа» из CO2

Ученые разработали новый рецепт создания смесей синтез-газа, или синтез-газа, который включает добавление щепотки атомов меди, разбрызганных на поверхность золота.Новый материал поддерживает электрохимическую реакцию при комнатной температуре, которая может превращать диоксид углерода и воду в синтез-газ, смесь оксида углерода и водорода и важный прекурсор в производстве химикатов и синтетического топлива.

Схема, изображающая производство синтез-газа из диоксида углерода и воды. Катализаторы с чистым золотом делают смеси синтез-газа, богатые монооксидом углерода, тогда как золотые катализаторы, обогащенные медью, делают смеси синтез-газа более богатыми водородом.(Источник: Майкл Росс / Лаборатория Беркли)

Исследователи говорят, что синтез-газ может быть преобразован ниже по потоку в небольшие молекулы, такие как этанол, или более крупные углеводороды, такие как бензин, путем ферментации или термохимии. Разработка материала и процесса, которые могут легко контролировать состав синтез-газа, будет важным улучшением в снижении воздействия этих промышленных процессов на окружающую среду.

Они описывают свой дизайн в статье, недавно опубликованной в журнале Американского химического общества .Исследованием руководили Пейдонг Ян, старший научный сотрудник Отделения материаловедения Национальной лаборатории Лоуренса Беркли Министерства энергетики (Лаборатория Беркли), и Эдвард Сарджент, профессор кафедры электротехники и вычислительной техники Университета Торонто.

«Мы не знаем другого электрокатализатора, который сочетал бы высокую производительность с таким широким диапазоном контроля состава синтез-газа», – сказал Янг, который также является профессором химии в Калифорнийском университете в Беркли.«Многие процессы, в которых используется синтез-газ, требуют различного состава газа, поэтому мы хотели создать семейство электрокатализаторов, которые можно легко настраивать».

Исследователи обнаружили, что они могут контролировать количество оксида углерода и водорода, генерируемого электрокатализатором, регулируя количество атомов меди, нанесенных на наноструктурированную поверхность золота.

Представлено изображение наноструктурированных катализаторов синтез-газа, полученное с помощью сканирующего электронного микроскопа. (Источник: Майкл Росс / Лаборатория Беркли)

«Медь изменяет силу связывания CO2 с поверхностью», – сказал ведущий автор исследования Майкл Росс, научный сотрудник лаборатории Янга.«Наноструктурированная поверхность, состоящая в основном из золота, дает в основном оксид углерода. Чтобы получить смесь, более богатую водородом, мы добавляем больше меди ».

Исследователи использовали методы рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии в Молекулярной литейной лаборатории Беркли, чтобы количественно определить количество меди на золотом электрокатализаторе, необходимое для создания различных смесей синтез-газа. Например, слой меди толщиной 1 атом, покрывающий поверхность золота, может давать смесь водорода и окиси углерода в соотношении 2: 1.Когда золото остается чистым, соотношение водорода к монооксиду углерода составляет от 1 до 10, что демонстрирует широкую гибкость в производстве синтез-газа.

«Если бы эти электрокатализаторы могли быть расширены для работы в промышленных реакторах, мы могли бы производить синтез-газ, используя возобновляемую электроэнергию и CO2», – сказал Росс. «Синтез-газ в настоящее время перерабатывается в метанол, дизельное топливо и другие полезные химические вещества во всем мире. Это могло бы сделать производство этих химикатов более устойчивым ».

Эта работа в рамках программы исследований катализа в отделе химических наук лаборатории Беркли была поддержана Управлением науки Министерства энергетики и Канадским институтом перспективных исследований.Молекулярный литейный завод – это пользовательский объект Управления науки Министерства энергетики США.

###

Национальная лаборатория Лоуренса Беркли решает самые насущные мировые научные проблемы, продвигая устойчивую энергетику, защищая здоровье человека, создавая новые материалы и раскрывая происхождение и судьбу Вселенной. Основанная в 1931 году, лаборатория Berkeley Lab была отмечена 13 Нобелевскими премиями. Калифорнийский университет управляет лабораторией Беркли в Управлении науки Министерства энергетики США.Для получения дополнительной информации посетите www.lbl.gov.

Управление науки Министерства энергетики США является крупнейшим спонсором фундаментальных исследований в области физических наук в Соединенных Штатах и ​​работает над решением некоторых из самых насущных проблем нашего времени.