Долгосрочная стабильность метанола из реального очищенного доменного газа была продемонстрирована на мини-установке германского Института солнечных энергетических систем Общества Фраунгофера (Fraunhofer ISE) в городе Фрайбурге. Об этом сообщает портал TechXplore. Перевод основных положений публикации представлен изданием discover24.ru.
Метанол играет важную роль в промышленности как ценный химикат, и в настоящее время также считается одним из ключевых энергоносителей в растущей «водородной энергетике». Однако традиционное производство метанола из угля и природного газа приводит к большим выбросам парниковых газов.
В рамках германского проекта Carbon2Chem, запущенного в 2016 году, партнеры из промышленности и научных кругов поставили перед собой задачу изучить процессы производства метанола из отработанных промышленных газов, в особенности – в сталелитейной промышленности. В 2018 году концерн ThyssenKrupp, один из крупнейших в Германии, провел проверку концепции производства метанола из доменного газа, используемого в рамках этого проекта.
Теперь долгосрочная стабильность получения метанола из реального очищенного доменного газа была впервые продемонстрирована на мини-установке Fraunhofer ISE – с производственной мощностью 10 литров в день в течение более 5000 часов.
Синтез ископаемого метанола и производство стали в доменных печах на основе угля являются причиной значительных выбросов парниковых газов. Объединение двух этих процессов позволяет заменить метанол чисто ископаемым топливом путем реакции чистого водорода с выбросами от производства стали. «Мы смогли объединить выбросы, которых трудно избежать, в единый производственный цикл», – подчеркнул д-р Ахим Шаадт, руководитель отдела термохимических процессов Fraunhofer ISE.
Fraunhofer ISE, десять лет работающий в области синтеза метанола, при разработке своего мини-завода опиралась на простую и надежную концепцию его выработки. Техпроцесс основан на двух неохлаждаемых адиабатических реакторах и промышленной рециркуляции непрореагировавших газов. В 2017 году такая установка была запущена в пробную эксплуатацию на заводе Fraunhofer ISE во Фрайбурге, а в 2019 году была переведена на пилотную установку Carbon2Chem в Дуйсбурге.
Выхлопные газы соседнего металлургического комбината ThyssenKrupp проходят систему газоочистки с использованием специальных катализаторов и сорбентов от химической компании Clariant и освобождаются от каталитических токсинов для последующего синтеза.
«Персонал служб ThyssenKrupp обеспечивает круглосуточную работу системы газоочистки. Металлургический комбинат работает в три смены, поэтому газа всегда достаточно. Таким образом, у нас есть идеальные условия для непрерывной работы в масштабе пилотного завода», – пояснил Макс Хадрих, руководитель группы по жидкоэнергетическим материалам Fraunhofer ISE.
Всего за более чем 5000 часов работы на объекте было произведено более 1500 литров метанола-сырца. Основное внимание уделялось использованию очищенного доменного газа, на долю которого приходится наибольшая доля (85%) выбросов сталелитейного производства. В долгосрочных испытаниях продолжительностью более 3000 часов не было обнаружено значительного снижения активности катализатора. Это свидетельствует о хорошем функционировании катализатора и конструкции установки.
Важной предпосылкой для оптимизации процесса синтеза метанола из обогащенного СО2 синтез-газа является усовершенствование кинетической модели катализатора Clariant, используемого в Carbon2Chem, поскольку реакции с циклом рециркуляции, такие как синтез метанола, требуют учета сложных взаимодействий и параметров процесса.
На основе улучшенной кинетической модели, разработанной собственными силами, специалисты Fraunhofer ISE смогли также создать цифровой двойник мини-завода. Это позволяет ускорить процессы обучения и свести к минимуму риски масштабирования будущих промышленных предприятий. «После проверки наших моделей данными с мини-завода мы смогли смоделировать и оптимизировать параметры завода. Используя результаты моделирования, нам удалось шаг за шагом повысить производительность мини-завода», – отметил Флориан Нестлер, научный сотрудник Fraunhofer ISE.
Газы сталелитейного производства являются важным сырьем для завода, но их количество и состав не являются постоянными. Это граничное условие, часто возникающее в процессах, основанных на изменчивых возобновляемых источниках энергии, представляет собой новую проблему для синтеза метанола. В зависимости от условий эксплуатации или доступного сырья свойства газов коксового завода, доменной печи (переработка железной руды в чугун) или конвертера (переработка чугуна в сталь) могут значительно различаться. На основе собранных данных теперь можно разработать концепцию управления, которая будет реагировать на изменения в режиме реального времени и поддерживать синтез в оптимальной рабочей точке в любое время.