Википедија

Sintetički gas

Sintetički gas (engl. syngas), sintezni plin, vodeni plin ili plavi plin je gas koji služi kao sirovina u industriji sinteze organskih jedinjenja, kao gorivo kod zavarivanja, proizvodnje stakla i u drugim industrijama gde je potrebno razviti visoku temperaturu.[1][2][3] Sintetički plin se proizvodi tako što se vodena para prevodi preko užarenog uglja ili koksa. Sastoji se uglavnom od ugljen-monoksida (CO) i vodonika (H2), onečišćenih s malim količinama CO2, N2, CH4, i O2.

Sintetičko gorivo (levo) dobijeno od sintetičkog plina, i usporedba sa klasičnim gorivom. Sintetičko gorivo je puno čistije zbog manjeg sadržaja sumpora i aromatičnih ugljenovodonika.
C(čvrst) + H2O(gas) ˂=˃ CO(gas) + H2(gas)

Sintetički gas je produkat postupka gasifikacije tokom koga se pri povišenoj temperaturi u reaktor s gorivom bogatim ugljenikom dovodi sredstvo za rasplinjavanje (npr. kiseonik, vodena para, vazduh ili ugljen-dioksid), a produkt su ugljen-monoksid i vodonik, koji se mogu upotrebiti za sintezu različitih tečnih ugljovodonika nekom varijantom Fišer-Tropšovog postupka, iz uglja, prirodnog plina ili biomase. Sintetički plin je dakle smeša ugljen-monoksida i vodonika u raznim odnosima, najčešće CO/H2 = 1/2. Direktno najviše služi za dobijanje metanola (CO/H2 = 1/2), zatim u procesima hidroformilacije (okso-alkoholi, CO/H2 = 1/1) kao i za dobijanje smesâ ugljenovodonika Fišer-Tropšovim postupkom (CO/H2 = 2/1). Takođe, može se razdvojiti u sastojke, vodonik i ugljen-monoksid. Vodonik najviše služi za proizvodnju amonijaka (N2/ H2 = 1/3) i u rafinerijskoj preradi nafte, dok se izdvojeni ugljen-monoksid najviše upotrebljava u procesima karbonilacije (sirćetna kiselina, polikarbonati, diizocijanati).

Postupci dobivanja sintetičkog plina

уреди
 
Automobil Adler Diplomat 3 s generatorom za rasplinjavanje drvnog plina, vrste sintetičkog plina (1941)[4]

Sastav sintetičkog gasa direktno zavisi od sirovine, s tim da je najveći prinos na vodoniku pri preradi metana. Tri su temeljna postupka dobivanja: parno reformiranje, delimična (parcijalna) oksidacija i uplinjavanje uglja.

U principu, ali retko u praksi, biomasa i srodne ugljovodonične sirovine mogu se koristiti za proizvodnju biogasa i biouglja u postrojenjima za gasifikaciju otpada u energiju.[5] Nastali gas (uglavnom metan i ugljen-dioksid) se ponekad opisuje kao singas, ali se njegov sastav razlikuje od singasa. Istražena je proizvodnja konvencionalnog singasa (uglavnom H2 i CO) iz otpadne biomase.[6]

Parno reformisanje

уреди

Parno reformisanje je katalitički proces, jednostavan i ekonomičan, koriste se samo „lake” sirovine, ponajprije metan CH4 i u manjem obimu primarni benzin, te vodena para:[7]

CH4 + H2O → CO + 3 H2

Iz sirovine je potrebno prethodno ukloniti katalitičke otrove (sumpor < 1 mg/kg). To je endotermna hemijska reakcija uz heterogene katalizatore (nikal / Al2O3 + MgO), pri visokoj temperaturi od 700 do 800 ºC i pritisku od oko 20 bara.

Delimična oksidacija

уреди

Delimična (parcijalna) oksidacija koristi „teške” sirovine: loživo ulje, ostatke destilacije nafte, naftu; koji sadrže velike udele sumporovih jedinjenja (od 3 do 4%), pa njihovo prethodno uklanjanje nije ekonomično. Stoga se postupak sprovodi bez katalizatora, pri visokim temperaturama (od 1200 do 1500 ºC) i pritisku od 30 do 80 bara.

Temeljne reakcije su:

CnHm + n/2 O2 = n CO + m/2 H2
  • reakcija hidratacije (ΔH = +)
CnHm + n H2O = n CO + (n +m/2) H2

Rasplinjavanje uglja

уреди

Reakcijom uglja sa vodenom parom pri visokim temperaturama nastaje sintetički gas (vodeni plin). To je nekad bio najzastupljeniji postupak dobijanja sintetičkog plina (do 1960). Deo uglja (od 30 do 40%) u potpunosti izgara (zato se postupak sprovodi uz smešu O2/H2O = 1/1), što osigurava reakcionu toplotu za endotermnu reakciju nastajanja smeše CO/H2:

C + H2O → CO + H2

∆H°298 = 175,3 kJ/mol

C + O2 → CO2

∆H°298 = -393,5 kJ/mol

CO2 + C → 2 CO

∆H°298 = 172,5 kJ/mol

Endotermna reakcija rasplinjavanja (plinofikacije) ugalja zahteva veliki utrošak energije potrebne za temeljnu reakciju, a takođe je potrebna i vrlo visoka temperatura (od 900 do 1000 ºC) za odgovarajuću ukupnu brzinu reakcije, što se osigurava spaljivanjem uglja. Premda je cena sirovine, uglja, prema drugim sirovinama relativno niska, postupak je ekonomičan samo uz vrlo velike proizvodne kapacitete i istodobne primene „na licu mesta” (uz nuklearne elektrane, ugljenokopi u Južnoafričkoj Republici - „Sasol postupak”).

Alternativne tehnologije nakon dobijanja sintetičkog plina

уреди
 
Postrojenje za rasplinjavanje drvnog plina (vrste sintetičkog plina) u Novom Gradu ili Gisingu (Gradišće, Austrija), koji koristi drvne sečke.

Fišer-Tropšov postupak

уреди

Fišer-Tropšov postupak je industrijska metoda dobijanja ugljovodonika iz ugljen-monoksida i vodonika (sintetički plin). Postupak, razvijen 1933. su Nemci primenili za dobivanje motornih goriva u Drugom svetskom ratu. Naziv je dobio po nemačkom hemičaru Francu Fišeru (1852—1932) i češkom hemičaru Hansu Tropši (1839—1935). Vodonik i ugljen-monoksid se mešaju u odnosu 2:1 i prevode pri temperaturi od 200 °C preko nikla ili kobalta kao katalizatora. Dobijena smeša ugljovodonika može se razdeliti u dizelsku i benzinsku frakciju. Usavršenim Fišer-Tropšovim postupkom proizvodi se sintetički benzin u Južnoafričkoj Republici, koristeći dva postupka, tzv. „Sasol” i „Sintol” postupci, a sintetički plin se dobija od uglja ili prirodnog plina.[8]

Biogoriva druge generacije

уреди

Biogoriva druge generacije dobijaju se preradom poljoprivrednog i šumskog otpada. Za razliku od prve generacije, biogoriva ove generacije znatno bi mogla smanjiti emisiju ugljen-dioksida CO2, a uz to ne koriste izvore hrane kao temelj proizvodnje i neke vrste osiguravaju bolji rad motora. Biogoriva druge generacije koja su trenutačno u proizvodnji su: celulozni etanol, biovodonik (biohidrogen), biometanol, biodimetileten (bio – DME), dimetilformamid (DMF), HTU dizel (engl. HydroThermalUpgrading), Fišer–Trošov dizel i mešavine alkohola. Iz sintetičkog plina (biogoriva) mogu se dobiti celulozni etanol, biovodonik, biometanol, biodimetileten, Fišer–Tropšov dizel ili mešavine alkohola.[9]

Sastav, put formiranja i termohemija

уреди

Hemijski sastav singasa varira u zavisnosti od sirovina i procesa. Singas proizveden gasifikacijom uglja generalno je mešavina od 30 do 60% ugljen monoksida, 25 do 30% vodonika, 5 do 15% ugljen-dioksida i 0 do 5% metana. Takođe sadrži manju količinu drugih gasova.[10] Singas ima manje od polovine energetske gustine prirodnog gasa.[11]

Prva reakcija, između užarenog koksa i pare, je snažno endotermna, stvarajući ugljen monoksid (CO) i vodonik H
2 (vodeni gas u starijoj terminologiji). Kada se sloj koksa ohladi na temperaturu na kojoj endotermna reakcija više ne može da se odvija, para se tada zamenjuje udarom vazduha.

Druga i treća reakcija se zatim odvijaju, proizvodeći egzotermnu reakciju – formirajući u početku ugljen-dioksid i podižući temperaturu sloja koksa – nakon čega sledi druga endotermna reakcija, u kojoj se potonji pretvara u ugljen monoksid. Ukupna reakcija je egzotermna, formirajući „proizvodni gas“ (starija terminologija). Zatim se para može ponovo ubrizgati, zatim vazduh itd, da bi se dobio beskonačan niz ciklusa dok se koks konačno ne potroši. Proizvodni gas ima mnogo nižu energetsku vrednost u odnosu na vodeni gas, prvenstveno zbog razblaživanja atmosferskim azotom. Čisti kiseonik može zameniti vazduh da bi se izbegao efekat razblaživanja, stvarajući gas mnogo veće kalorijske vrednosti.

Da bi se proizvelo više vodonika iz ove smeše, dodaje se više pare i vrši se reakcija promene vodenog gasa:

CO + H
2O → CO
2 + H
2

Vodonik se može odvojiti od   adsorpcijom putem promene pritiska (PSA), pročišćavanjem amina i membranskim reaktorima. Razne alternativne tehnologije su istražene, ali nijedna nema komercijalnu vrednost.[12] Neke varijacije se fokusiraju na nove stehiometrije kao što su ugljen-dioksid plus metan[13][14] ili delimična hidrogenacija ugljen-dioksida. Druga istraživanja se fokusiraju na nove izvore energije za pokretanje procesa uključujući elektrolizu, solarnu energiju, mikrotalasne pećnice i električne lukove.[15][16][17][18][19][20]

Električna energija proizvedena iz obnovljivih izvora takođe se koristi za preradu ugljen-dioksida i vode u singasu putem elektrolize na visokim temperaturama. Ovo je pokušaj da se održi neutralnost ugljenika u procesu proizvodnje. Audi je, u partnerstvu sa kompanijom Sunfire, otvorio pilot postrojenje u novembru 2014. za proizvodnju e-dizela koristeći ovaj proces.[21]

Singas koji nije metanizovan obično ima nižu toplotnu vrednost od 120 BTU/scf.[22] Netretirani singas se može koristiti u hibridnim turbinama koje omogućavaju veću efikasnost zbog nižih radnih temperatura i produženog veka trajanja delova.[22]

Reference

уреди
  1. ^ „Syngas Cogeneration / Combined Heat & Power”. Clarke Energy. Архивирано из оригинала 27. 8. 2012. г. Приступљено 22. 2. 2016. 
  2. ^ Mick, Jason (3. 3. 2010). „Why Let it go to Waste? Enerkem Leaps Ahead With Trash-to-Gas Plans”. DailyTech. Архивирано из оригинала 4. 3. 2016. г. Приступљено 22. 2. 2016. 
  3. ^ Boehman, André L.; Le Corre, Olivier (15. 5. 2008). „Combustion of Syngas in Internal Combustion Engines”. Combustion Science and Technology. 180 (6): 1193—1206. S2CID 94791479. doi:10.1080/00102200801963417. 
  4. ^ „Wood gas vehicles: firewood in the fuel tank”. LOW-TECH MAGAZINE. Архивирано из оригинала 2010-01-21. г. Приступљено 2019-06-13. 
  5. ^ „Sewage treatment plant smells success in synthetic gas trial - ARENAWIRE”. Australian Renewable Energy Agency (на језику: енглески). Архивирано из оригинала 2021-03-07. г. Приступљено 2021-01-25. 
  6. ^ Zhang, Lu; et al. (2018). „Clean synthesis gas production from municipal solid waste via catalytic gasification and reforming technology”. Catalysis Today. 318: 39—45. ISSN 0920-5861. S2CID 102872424. doi:10.1016/j.cattod.2018.02.050. 
  7. ^ Beychok, Milton R. (1974). „Coal gasification and the Phenosolvan process” (PDF). Am. Chem. Soc., Div. Fuel Chem., Prepr.; (United States). 19:5. OSTI 7362109. S2CID 93526789. Архивирано из оригинала (PDF) 3. 3. 2016. г. 
  8. ^ [1] "Fischer-Tropschov postupak", Kemijski rječnik & glosar, glossary.periodni.com, 2012.
  9. ^ "Biogoriva (biofuels)", www.izvorienergije.com, 2012.
  10. ^ „Syngas composition”. National Energy Technology Laboratory, U.S. Department of Energy. Архивирано из оригинала 27. 3. 2020. г. Приступљено 7. 5. 2015. 
  11. ^ Beychok, M R (1975). Process and environmental technology for producing SNG and liquid fuels. Environmental Protection Agency. OCLC 4435004117. OSTI 5364207. 
  12. ^ Hiller, Heinz; Reimert, Rainer; Stönner, Hans-Martin (2011). „Gas Production, 1. Introduction”. Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry. ISBN 978-3527306732. doi:10.1002/14356007.a12_169.pub3. 
  13. ^ „dieBrennstoffzelle.de - Kvaerner-Verfahren”. www.diebrennstoffzelle.de. Архивирано из оригинала 2019-12-07. г. Приступљено 2019-12-17. 
  14. ^ EU patent 3160899B1, Kühl, Olaf, "Method and apparatus for producing h2-rich synthesis gas", issued 12 December 2018 
  15. ^ „Sunshine to Petrol” (PDF). Sandia National Laboratories. Архивирано из оригинала (PDF) 19. 2. 2013. г. Приступљено 11. 4. 2013. 
  16. ^ „Integrated Solar Thermochemical Reaction System”. U.S. Department of Energy. Архивирано из оригинала 19. 8. 2013. г. Приступљено 11. 4. 2013. 
  17. ^ Matthew L. Wald (10. 4. 2013). „New Solar Process Gets More Out of Natural Gas”. The New York Times. Архивирано из оригинала 30. 11. 2020. г. Приступљено 11. 4. 2013. 
  18. ^ Frances White. „A solar booster shot for natural gas power plants”. Pacific Northwest National Laboratory. Архивирано из оригинала 14. 4. 2013. г. Приступљено 12. 4. 2013. 
  19. ^ Foit, Severin R.; Vinke, Izaak C.; de Haart, Lambertus G. J.; Eichel, Rüdiger-A. (8. 5. 2017). „Power-to-Syngas: An Enabling Technology for the Transition of the Energy System?”. Angewandte Chemie International Edition. 56 (20): 5402—5411. PMID 27714905. doi:10.1002/anie.201607552. 
  20. ^ US patent 5159900A, Dammann, Wilbur A., "Method and means of generating gas from water for use as a fuel", issued 3 November 1992 
  21. ^ „Audi in new e-fuels project: synthetic diesel from water, air-captured CO2 and green electricity; "Blue Crude"”. Green Car Congress. 14. 11. 2014. Архивирано из оригинала 27. 3. 2020. г. Приступљено 29. 4. 2015. 
  22. ^ а б Oluyede, Emmanuel O.; Phillips, Jeffrey N. (мај 2007). „Fundamental Impact of Firing Syngas in Gas Turbines”. Volume 3: Turbo Expo 2007. Proceedings of the ASME Turbo Expo 2007: Power for Land, Sea, and Air. Volume 3: Turbo Expo 2007. Montreal, Canada: ASME. стр. 175—182. CiteSeerX 10.1.1.205.6065  . ISBN 978-0-7918-4792-3. doi:10.1115/GT2007-27385. 

Literatura

уреди

Spoljašnje veze

уреди
 
Sintetički gas на Викимедијиној остави.
Преузето из „https://sr.wikipedia.org/w/index.php?title=Sintetički_gas&oldid=28525106”