Синтетички гас

С Википедије, слободне енциклопедије

Синтетичко гориво (лево) добијено од синтетичког плина, и успоредба са класичним горивом. Синтетичко гориво је пуно чистије због мањег садржаја сумпора и ароматичних угљеноводоника.

Синтетички гас (енгл. syngas), синтезни плин, водени плин или плави плин је гас који служи као сировина у индустрији синтезе органских једињења, као гориво код заваривања, производње стакла и у другим индустријама где је потребно развити високу температуру.[1][2][3] Синтетички плин се производи тако што се водена пара преводи преко ужареног угља или кокса. Састоји се углавном од угљен-моноксида (CO) и водоника (H2), онечишћених с малим количинама CO2, N2, CH4, и О2.

C(čvrst) + H2O(gas) ˂=˃ CO(gas) + H2(gas)

Синтетички гас је продукат поступка гасификације током кога се при повишеној температури у реактор с горивом богатим угљеником доводи средство за расплињавање (нпр. кисеоник, водена пара, ваздух или угљен-диоксид), а продукт су угљен-моноксид и водоник, који се могу употребити за синтезу различитих течних угљоводоника неком варијантом Фишер-Тропшовог поступка, из угља, природног плина или биомасе. Синтетички плин је дакле смеша угљен-моноксида и водоника у разним односима, најчешће CO/H2 = 1/2. Директно највише служи за добијање метанола (CO/H2 = 1/2), затим у процесима хидроформилације (оксо-алкохоли, CO/H2 = 1/1) као и за добијање смесâ угљеноводоника Фишер-Тропшовим поступком (CO/H2 = 2/1). Такође, може се раздвојити у састојке, водоник и угљен-моноксид. Водоник највише служи за производњу амонијака (N2/ H2 = 1/3) и у рафинеријској преради нафте, док се издвојени угљен-моноксид највише употребљава у процесима карбонилације (сирћетна киселина, поликарбонати, диизоцијанати).

Поступци добивања синтетичког плина[уреди | уреди извор]

Аутомобил Адлер Дипломат 3 с генератором за расплињавање дрвног плина, врсте синтетичког плина (1941)[4]

Састав синтетичког гаса директно зависи од сировине, с тим да је највећи принос на водонику при преради метана. Три су темељна поступка добивања: парно реформирање, делимична (парцијална) оксидација и уплињавање угља.

У принципу, али ретко у пракси, биомаса и сродне угљоводоничне сировине могу се користити за производњу биогаса и биоугља у постројењима за гасификацију отпада у енергију.[5] Настали гас (углавном метан и угљен-диоксид) се понекад описује као сингас, али се његов састав разликује од сингаса. Истражена је производња конвенционалног сингаса (углавном Х2 и ЦО) из отпадне биомасе.[6]

Парно реформисање[уреди | уреди извор]

Парно реформисање је каталитички процес, једноставан и економичан, користе се само „лаке” сировине, понајприје метан CH4 и у мањем обиму примарни бензин, те водена пара:[7]

CH4 + H2O → CO + 3 H2

Из сировине је потребно претходно уклонити каталитичке отрове (сумпор < 1 мг/кг). То је ендотермна хемијска реакција уз хетерогене катализаторе (никал / Al2O3 + MgO), при високој температури од 700 до 800 ºC и притиску од око 20 бара.

Делимична оксидација[уреди | уреди извор]

Делимична (парцијална) оксидација користи „тешке” сировине: ложиво уље, остатке дестилације нафте, нафту; који садрже велике уделе сумпорових једињења (од 3 до 4%), па њихово претходно уклањање није економично. Стога се поступак спроводи без катализатора, при високим температурама (од 1200 до 1500 ºC) и притиску од 30 до 80 бара.

Темељне реакције су:

CnHm + n/2 O2 = n CO + m/2 H2
  • реакција хидратације (ΔH = +)
CnHm + n H2O = n CO + (n +m/2) H2

Расплињавање угља[уреди | уреди извор]

Реакцијом угља са воденом паром при високим температурама настаје синтетички гас (водени плин). То је некад био најзаступљенији поступак добијања синтетичког плина (до 1960). Део угља (од 30 до 40%) у потпуности изгара (зато се поступак спроводи уз смешу O2/H2O = 1/1), што осигурава реакциону топлоту за ендотермну реакцију настајања смеше 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

Ендотермна реакција расплињавања (плинофикације) угаља захтева велики утрошак енергије потребне за темељну реакцију, а такође је потребна и врло висока температура (од 900 до 1000 ºC) за одговарајућу укупну брзину реакције, што се осигурава спаљивањем угља. Премда је цена сировине, угља, према другим сировинама релативно ниска, поступак је економичан само уз врло велике производне капацитете и истодобне примене „на лицу места” (уз нуклеарне електране, угљенокопи у Јужноафричкој Републици - „Сасол поступак”).

Алтернативне технологије након добијања синтетичког плина[уреди | уреди извор]

Постројење за расплињавање дрвног плина (врсте синтетичког плина) у Новом Граду или Гисингу (Градишће, Аустрија), који користи дрвне сечке.

Фишер-Тропшов поступак[уреди | уреди извор]

Фишер-Тропшов поступак је индустријска метода добијања угљоводоника из угљен-моноксида и водоника (синтетички плин). Поступак, развијен 1933. су Немци применили за добивање моторних горива у Другом светском рату. Назив је добио по немачком хемичару Францу Фишеру (1852—1932) и чешком хемичару Хансу Тропши (1839—1935). Водоник и угљен-моноксид се мешају у односу 2:1 и преводе при температури од 200 °C преко никла или кобалта као катализатора. Добијена смеша угљоводоника може се разделити у дизелску и бензинску фракцију. Усавршеним Фишер-Тропшовим поступком производи се синтетички бензин у Јужноафричкој Републици, користећи два поступка, тзв. „Сасол” и „Синтол” поступци, а синтетички плин се добија од угља или природног плина.[8]

Биогорива друге генерације[уреди | уреди извор]

Биогорива друге генерације добијају се прерадом пољопривредног и шумског отпада. За разлику од прве генерације, биогорива ове генерације знатно би могла смањити емисију угљен-диоксида CO2, а уз то не користе изворе хране као темељ производње и неке врсте осигуравају бољи рад мотора. Биогорива друге генерације која су тренутачно у производњи су: целулозни етанол, биоводоник (биохидроген), биометанол, биодиметилетен (био – ДМЕ), диметилформамид (ДМФ), ХТУ дизел (енгл. HydroThermalUpgrading), Фишер–Трошов дизел и мешавине алкохола. Из синтетичког плина (биогорива) могу се добити целулозни етанол, биоводоник, биометанол, биодиметилетен, Фишер–Тропшов дизел или мешавине алкохола.[9]

Састав, пут формирања и термохемија[уреди | уреди извор]

Хемијски састав сингаса варира у зависности од сировина и процеса. Сингас произведен гасификацијом угља генерално је мешавина од 30 до 60% угљен моноксида, 25 до 30% водоника, 5 до 15% угљен-диоксида и 0 до 5% метана. Такође садржи мању количину других гасова.[10] Сингас има мање од половине енергетске густине природног гаса.[11]

Прва реакција, између ужареног кокса и паре, је снажно ендотермна, стварајући угљен моноксид (ЦО) и водоник Х
2 (водени гас у старијој терминологији). Када се слој кокса охлади на температуру на којој ендотермна реакција више не може да се одвија, пара се тада замењује ударом ваздуха.

Друга и трећа реакција се затим одвијају, производећи егзотермну реакцију – формирајући у почетку угљен-диоксид и подижући температуру слоја кокса – након чега следи друга ендотермна реакција, у којој се потоњи претвара у угљен моноксид. Укупна реакција је егзотермна, формирајући „производни гас“ (старија терминологија). Затим се пара може поново убризгати, затим ваздух итд, да би се добио бесконачан низ циклуса док се кокс коначно не потроши. Производни гас има много нижу енергетску вредност у односу на водени гас, првенствено због разблаживања атмосферским азотом. Чисти кисеоник може заменити ваздух да би се избегао ефекат разблаживања, стварајући гас много веће калоријске вредности.

Да би се произвело више водоника из ове смеше, додаје се више паре и врши се реакција промене воденог гаса:

ЦО + Х
2О → ЦО
2 + Х
2

Водоник се може одвојити од адсорпцијом путем промене притиска (ПСА), прочишћавањем амина и мембранским реакторима. Разне алтернативне технологије су истражене, али ниједна нема комерцијалну вредност.[12] Неке варијације се фокусирају на нове стехиометрије као што су угљен-диоксид плус метан[13][14] или делимична хидрогенација угљен-диоксида. Друга истраживања се фокусирају на нове изворе енергије за покретање процеса укључујући електролизу, соларну енергију, микроталасне пећнице и електричне лукове.[15][16][17][18][19][20]

Електрична енергија произведена из обновљивих извора такође се користи за прераду угљен-диоксида и воде у сингасу путем електролизе на високим температурама. Ово је покушај да се одржи неутралност угљеника у процесу производње. Ауди је, у партнерству са компанијом Сунфире, отворио пилот постројење у новембру 2014. за производњу е-дизела користећи овај процес.[21]

Сингас који није метанизован обично има нижу топлотну вредност од 120 БТУ/сцф.[22] Нетретирани сингас се може користити у хибридним турбинама које омогућавају већу ефикасност због нижих радних температура и продуженог века трајања делова.[22]

Референце[уреди | уреди извор]

  1. ^ „Сyнгас Цогенератион / Цомбинед Хеат & Поwер”. Цларке Енергy. Архивирано из оригинала 27. 8. 2012. г. Приступљено 22. 2. 2016. 
  2. ^ Мицк, Јасон (3. 3. 2010). „Wхy Лет ит го то Wасте? Енеркем Леапс Ахеад Wитх Трасх-то-Гас Планс”. ДаилyТецх. Архивирано из оригинала 4. 3. 2016. г. Приступљено 22. 2. 2016. 
  3. ^ Боехман, Андрé L.; Ле Цорре, Оливиер (15. 5. 2008). „Цомбустион оф Сyнгас ин Интернал Цомбустион Енгинес”. Цомбустион Сциенце анд Тецхнологy. 180 (6): 1193—1206. С2ЦИД 94791479. дои:10.1080/00102200801963417. 
  4. ^ „Wоод гас вехицлес: фиреwоод ин тхе фуел танк”. ЛОW-ТЕЦХ МАГАЗИНЕ. Архивирано из оригинала 2010-01-21. г. Приступљено 2019-06-13. 
  5. ^ „Сеwаге треатмент плант смеллс суццесс ин сyнтхетиц гас триал - АРЕНАWИРЕ”. Аустралиан Ренеwабле Енергy Агенцy (на језику: енглески). Архивирано из оригинала 2021-03-07. г. Приступљено 2021-01-25. 
  6. ^ Зханг, Лу; 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 Слободан приступ. ISBN 978-0-7918-4792-3. doi:10.1115/GT2007-27385. 

Literatura[уреди | уреди извор]

Spoljašnje veze[уреди | уреди извор]

Sintetički gas na Vikimedijinoj ostavi.
Преузето из „https://sr.wikipedia.org/w/index.php?title=Sintetički_gas&oldid=27675270”