Syngas - Syngas

Gás de madeira , um tipo de gás de síntese, queima

Syngas , ou gás de síntese , é uma mistura de gás combustível consistindo principalmente de hidrogênio , monóxido de carbono e, muitas vezes, um pouco de dióxido de carbono . O nome vem de seu uso como intermediários na criação de gás natural sintético (SNG) e para a produção de amônia ou metanol . Syngas é geralmente um produto da gaseificação do carvão e a principal aplicação é a geração de eletricidade . Syngas é combustível e pode ser usado como combustível em motores de combustão interna . Historicamente, tem sido usado como substituto da gasolina, quando o fornecimento de gasolina é limitado; por exemplo, o gás de lenha foi usado para mover carros na Europa durante a Segunda Guerra Mundial (só na Alemanha meio milhão de carros foram construídos ou reconstruídos para funcionar com gás de lenha). No entanto, ele tem menos da metade da densidade de energia do gás natural .

Syngas pode ser produzido a partir de muitas fontes, incluindo gás natural, carvão, biomassa ou virtualmente qualquer matéria-prima de hidrocarboneto, por reação com vapor ( reforma a vapor ), dióxido de carbono ( reforma a seco ) ou oxigênio ( oxidação parcial ). É um recurso intermediário crucial para a produção de hidrogênio, amônia, metanol e combustíveis de hidrocarbonetos sintéticos. Também é usado como intermediário na produção de petróleo sintético para uso como combustível ou lubrificante por meio do processo Fischer-Tropsch e, anteriormente, do processo Mobil metanol para gasolina .

Os métodos de produção incluem a reforma a vapor de gás natural ou hidrocarbonetos líquidos para produzir hidrogênio, a gaseificação de carvão, biomassa e, em alguns tipos de instalações de gaseificação de resíduos em energia .

Produção

A composição química do gás de síntese varia de acordo com as matérias-primas e os processos. Syngas produzido pela gaseificação do carvão geralmente é uma mistura de 30 a 60% de monóxido de carbono, 25 a 30% de hidrogênio, 5 a 15% de dióxido de carbono e 0 a 5% de metano. Ele também contém menor quantidade de outros gases.

A principal reação que produz o gás de síntese, a reforma a vapor , é uma reação endotérmica com 206 kJ / mol de metano necessário para a conversão.

A primeira reação, entre o coque incandescente e o vapor, é fortemente endotérmica, produzindo monóxido de carbono (CO) e hidrogênio H
2
( gás de água na terminologia mais antiga). Quando o leito de coque resfriou a uma temperatura na qual a reação endotérmica não pode mais ocorrer, o vapor é então substituído por uma rajada de ar.

A segunda e a terceira reações ocorrem, produzindo uma reação exotérmica - formando inicialmente dióxido de carbono e aumentando a temperatura do leito de coque - seguida pela segunda reação endotérmica, na qual o último é convertido em monóxido de carbono, CO. A reação geral é exotérmico, formando "gás produtor" (terminologia mais antiga). O vapor pode então ser reinjetado, depois o ar, etc., para dar uma série infinita de ciclos até que a coque seja finalmente consumida. O gás produtor tem um valor energético muito menor, em relação ao gás da água, devido principalmente à diluição com o nitrogênio atmosférico. O oxigênio puro pode substituir o ar para evitar o efeito de diluição, produzindo gás de valor calorífico muito maior.

Quando usado como um intermediário na síntese industrial de hidrogênio em grande escala (usado principalmente na produção de amônia ), ele também é produzido a partir do gás natural (por meio da reação de reforma a vapor) da seguinte forma:

Para produzir mais hidrogênio a partir desta mistura, mais vapor é adicionado e a reação de deslocamento de gás água é realizada:

O hidrogênio deve ser separado do CO
2
para poder usá-lo. Isso é feito principalmente por adsorção por oscilação de pressão (PSA), depuração de amina e reatores de membrana .

Tecnologias alternativas

Oxidação parcial catalítica de biomassa

A conversão de biomassa em gás de síntese é normalmente de baixo rendimento. A Universidade de Minnesota desenvolveu um catalisador de metal que reduz o tempo de reação da biomassa em até um fator de 100. O catalisador pode ser operado à pressão atmosférica e reduz o carvão. Todo o processo é autotérmico e, portanto, não é necessário aquecimento. Outro processo foi desenvolvido na DTU Energy que é eficiente e não apresenta problemas de incrustação do catalisador (neste caso, um catalisador de óxido de cério).

Dióxido de carbono e metano

Um método de duas etapas desenvolvido em 2012 produz gás de síntese que consiste apenas em monóxido de carbono e hidrogênio. Em uma primeira etapa, o metano é decomposto a uma temperatura superior a 1000 ° C, formando uma mistura de carbono e hidrogênio (reação: CH 4 + energia -> C + 2 H 2 ). De preferência, um aquecedor de plasma fornece aquecimento na primeira etapa. Em uma segunda etapa, CO 2 é adicionado à mistura quente de carbono e hidrogênio (reação: C + CO 2 -> 2 CO). O carbono e o CO 2 reagem em alta temperatura para formar monóxido de carbono (reação: C + CO 2 -> 2 CO). A mistura de monóxido de carbono da segunda etapa e hidrogênio da primeira etapa, portanto, forma um gás de síntese de alta pureza que consiste apenas em CO e H 2 .

Alternativamente, a água pode ser usada em vez de CO 2 na segunda etapa para obter uma quantidade maior de hidrogênio no gás de síntese. Neste caso, a reacção do segundo passo é: C + H 2 O -> CO + H 2 . Ambos os métodos também permitem variar a proporção de CO para H 2 .

Dióxido de carbono e hidrogênio

Energia de microondas

O CO 2 pode ser dividido em CO e então combinado com o hidrogênio para formar o gás de síntese [1] . Um método para a produção de monóxido de carbono a partir do dióxido de carbono, tratando-o com radiação de microondas, está sendo examinado pelo projeto de combustíveis solares do Instituto Holandês para Pesquisa de Energia Fundamental . Esta técnica teria sido usada durante a Guerra Fria em submarinos nucleares russos para permitir que eles se livrassem do gás CO 2 sem deixar um rastro de bolha. Jornais publicamente disponíveis publicados durante a Guerra Fria indicam que os submarinos americanos usavam purificadores químicos convencionais para remover o CO 2 . Documentos divulgados após o naufrágio do Kursk , um submarino da classe Oscar da época da Guerra Fria , indicam que purificadores de superóxido de potássio foram usados ​​para remover dióxido de carbono naquele navio.

Energia solar

O calor gerado pela energia solar concentrada pode ser usado para conduzir reações termoquímicas para dividir o dióxido de carbono em monóxido de carbono ou para produzir hidrogênio. O gás natural pode ser usado como matéria-prima em uma instalação que integra energia solar concentrada com uma usina movida a gás natural aumentado por gás de síntese enquanto o sol está brilhando.

Co-eletrólise

Ao empregar co-eletrólise, ou seja, a conversão eletroquímica combinada de vapor ( H
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O
) e dióxido de carbono ( CO
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) em monóxido de carbono (CO) com o uso de eletricidade gerada de forma renovável, o gás de síntese pode ser produzido no âmbito de um CO
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-cenário de valorização, permitindo um ciclo fechado do carbono .

Eletricidade

Dependendo da tecnologia usada para a produção de gás de síntese, a eletricidade pode ser um importante insumo.

O uso de eletricidade para extrair dióxido de carbono da água e, em seguida, a mudança do gás da água para o gás de síntese foi testado pelo Laboratório de Pesquisa Naval dos EUA. Este processo torna-se rentável se o preço da eletricidade for inferior a $ 20 / MWh.

A eletricidade gerada a partir de fontes renováveis também é usada para processar dióxido de carbono e água em gás de síntese por meio da eletrólise de alta temperatura . Esta é uma tentativa de manter a neutralidade do carbono no processo de geração. A Audi , em parceria com a empresa Sunfire, abriu uma planta piloto em novembro de 2014 para gerar e-diesel usando este processo.

Usos

Manipulação

Os processos de gaseificação de carvão para criar gás de síntese foram usados ​​por muitos anos para fabricar gás de iluminação ( gás de carvão ) para iluminação a gás , cozinha e, em certa medida, aquecimento, antes que a iluminação elétrica e a infraestrutura de gás natural se tornassem amplamente disponíveis.

Capacidade de energia

Syngas que não é metanizado normalmente tem um valor de aquecimento inferior de 120 BTU / scf . O gás de síntese não tratado pode ser executado em turbinas híbridas que permitem maior eficiência por causa de suas temperaturas operacionais mais baixas e vida útil prolongada das peças.

Esponja de ferro

Syngas é usado para reduzir diretamente o minério de ferro a ferro esponja .

Diesel

Syngas pode ser usado no processo Fischer-Tropsch para produzir diesel ou convertido, por exemplo , em metano , metanol e éter dimetílico em processos catalíticos .

Se o gás de síntese for pós-tratado por processamento criogênico, deve-se levar em consideração que esta tecnologia tem grande dificuldade em recuperar o monóxido de carbono puro se volumes relativamente grandes de nitrogênio estiverem presentes devido ao monóxido de carbono e nitrogênio com pontos de ebulição muito semelhantes, que são - 191,5 ° C e –195,79 ° C, respectivamente. Certa tecnologia de processo remove seletivamente o monóxido de carbono por complexação / descomplexação de monóxido de carbono com cloreto de alumínio cuproso ( CuAlCl
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) dissolvido em um líquido orgânico, como tolueno . O monóxido de carbono purificado pode ter pureza superior a 99%, o que o torna uma boa matéria-prima para a indústria química. O gás rejeitado do sistema pode conter dióxido de carbono , nitrogênio , metano , etano e hidrogênio . O gás rejeitado pode ser posteriormente processado em um sistema de adsorção de oscilação de pressão para remover o hidrogênio , e o hidrogênio e o monóxido de carbono podem ser recombinados na proporção adequada para a produção de metanol catalítico, diesel Fischer-Tropsch, etc. Purificação criogênica, sendo muito intensiva em energia , não é adequado para simplesmente fazer combustível, devido ao ganho líquido de energia bastante reduzido .

Metanol

Syngas é usado para produzir metanol como na seguinte reação.

Hidrogênio

Syngas é usado para produzir hidrogênio para o processo Haber .

Syngas from Waste

Uma variedade de sistemas de gaseificação de resíduos foi desenvolvida nos anos de 1991 a 2000. Como exemplo, Logan City Council, Austrália, usará um processo de gaseificação de resíduos para reduzir drasticamente o volume de resíduos que precisam ser transportados para fora do local e produzir gás de síntese para alimentar o instalação. Uma vez que as águas residuais são tratadas para matar patógenos e bactérias prejudiciais, o biossólido restante será aquecido a altas temperaturas para produzir uma mistura de gás de síntese composta principalmente de hidrogênio, monóxido de carbono, metano e dióxido de carbono. O gás de síntese produzido em instalações de gaseificação de resíduos em energia pode ser usado, por exemplo, para gerar eletricidade.

Veja também

Referências

links externos