اولین سنتز طولانی مدت متانول از گاز کوره بلند در یک کارخانه کوچک

15 سپتامبر 2022 -توسط کریستینا لوتز، Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE

سنتز متانول از گازهای متالورژی با موفقیت در کارخانه کوچک نشان داده شد. اعتبار: Fraunhofer ISE

متانول نقش مهمی را برای صنعت به عنوان یک ماده شیمیایی کالایی ایفا می کند و در حال حاضر به عنوان یکی از حامل های انرژی کلیدی در اقتصاد رو به رشد هیدروژن در نظر گرفته می شود. با این حال، تولید متانول معمولی از زغال سنگ و گاز طبیعی، مقادیر زیادی از گازهای گلخانه‌ای را تولید می‌کند. با پروژه Carbon2Chem، شرکای صنعت، پژوهش و دانشگاه ماموریت خود را برای کشف فرآیندهای تولید متانول از گازهای پسماند صنعتی با استفاده از صنعت فولاد به عنوان مثال تعیین کرده اند.

برای اولین بار، پایداری طولانی مدت سنتز متانول از گاز واقعی و خالص شده کوره بلند اکنون در یک کارخانه کوچک Fraunhofer ISE با ظرفیت تولید ده لیتر در روز در مجموع بیش از 5000 ساعت نشان داده شده است. در سال 2018، thyssenkrupp اثبات مفهومی را برای تولید متانول از گاز کوره بلند مورد استفاده در این پروژه ارائه کرد.

سنتز متانول فسیلی و تولید فولاد از طریق مسیر کوره بلند مبتنی بر زغال سنگ مسئول انتشار قابل توجه گازهای گلخانه ای CO2 است. پیوند این دو فرآیند به ما اجازه می دهد تا با واکنش هیدروژن سبز با انتشارات تولید فولاد، متانول را از سوخت های فسیلی خالص جایگزین کنیم. دکتر-اینگ رئیس بخش فرآیندهای ترموشیمیایی در Fraunhofer ISEتوضیح می دهد: “تعهدات تحت توافقنامه آب و هوای پاریس تنها با پیوند دادن بخش های صنعتی قابل انجام است. ما باید انتشار گازهای گلخانه ای را که اجتناب از آنها دشوار است در یک چرخه قرار دهیم.”

پروژه Carbon2Chem که در سال 2016 راه اندازی شد، در حال تحقیق در مورد فرآیندهای تبدیل گازهای فرآیند از صنعت فولاد به مواد شیمیایی اساسی است. Luis F. Piedra-Garza از Thyssenkrupp Steel Europe می‌گوید: «در Carbon2Chem، نیروهای نوآور از صنعت، تحقیقات کاربردی و دانشگاه‌ها تجمیع می‌شوند تا به سرعت به یک راه‌حل کلی بهینه‌شده و قابل اجرا برسند».

گازهای خروجی به عنوان مجرای خروجی

Fraunhofer ISE که ده سال است در زمینه سنتز متانول کار می کند، برای توسعه پلنت کوچک بر یک مفهوم پردازش ساده و قوی تکیه کرده است. این بر اساس دو راکتور سرد نشده و آدیاباتیک و بازیافت گازهای واکنش نداده به سبک صنعتی است. این کارخانه در سال 2017 قبل از انتقال به کارخانه آزمایشی Carbon2Chem در Duisburg در سال 2019 با گازهای سیلندر در Fraunhofer ISE در فرایبورگ به بهره برداری آزمایشی رسید.

گازهای خروجی از کارخانه فولاد یکپارچه همسایه در یک سیستم تصفیه گاز از محلول‌های صنعتی thyssenkrupp با استفاده از کاتالیزورها و جاذب‌های شرکت تخصصی مواد شیمیایی Clariant تصفیه می‌شوند و فاقد سم کاتالیزور برای سنتز بعدی هستند.

مکس هادریچ ، رئیس گروه Power to Liquids در Fraunhofer ISE.  توضیح می دهد: “کارکنان خدمات مهندسی thyssenkrupp Uhde سیستم تمیز کردن گاز به صورت شبانه روزی کار می کنند. کارخانه فولاد در سه شیفت کار می کند، بنابراین همیشه گاز کافی وجود دارد. بنابراین ما شرایط ایده آلی برای کار مداوم در مقیاس کارخانه آزمایشی داریم.”

در مجموع با بیش از 5000 ساعت کار در محل، بیش از 1500 لیتر متانول خام تولید شد. تمرکز بر استفاده از گاز کوره بلند تصفیه شده است که بیشترین سهم – 85٪ – از گازهای کارخانه فولاد را به خود اختصاص می دهد. در یک آزمایش طولانی مدت بیش از 3000 ساعت، کاهش قابل توجهی در فعالیت کاتالیزور مشاهده نشد. این نشان دهنده عملکرد خوب کاتالیزور و طراحی کارخانه است. دکتر Andreas Geisbauer از شریک پروژه Clariant می گوید: Carbon2Chem و همکاری با Fraunhofer ISE چارچوب ایده آلی را برای تاکید بر عملکرد کاتالیزورهای سنتز متانول MegaMax صنعتی ما برای تبدیل کارآمد و پایدار گازهای فرآیند غنی از CO2 فراهم می کند.”

بهینه سازی فرآیند با دوقلوی دیجیتال

یک پیش نیاز مهم برای بهینه‌سازی فرآیند سنتز متانول از گاز سنتز غنی از CO2، بهبود مدل جنبشی برای کاتالیزور Clariant مورد استفاده در Carbon2Chem است، زیرا واکنش‌های با یک حلقه بازیافت مانند سنتز متانول نیاز به درک عمیق برهم‌کنش‌های پیچیده دارد. پارامترهای فرآیند

Fraunhofer ISE بر اساس مدل سینتیکی بهبودیافته توسعه یافته در داخل، توانست یک دوقلو دیجیتالی از این واحد کوچک ایجاد کند. این امر امکان تسریع فرآیندهای یادگیری را فراهم می کند و در عین حال خطرات افزایش مقیاس را برای کارخانه های صنعتی آینده به حداقل می رساند. فلوریان نستلر، همکار پژوهشی در Fraunhofer ISE می‌گوید: “پس از اعتبارسنجی مدل‌هایمان با داده‌های واحد کوچک، ما توانستیم پارامترهای واحد را شبیه‌سازی و بهینه کنیم. با استفاده از نتایج شبیه‌سازی، موفق شدیم عملکرد واحد کوچک را گام به گام افزایش دهیم.” .

مفهوم کنترل برای پویایی کارخانه فولاد یکپارچه

گازهای کارخانه فولاد یک ماده اولیه ضروری برای کارخانه هستند، اما از نظر کمیت و ترکیب ثابت نیستند. این شرایط مرزی که اغلب برای فرآیندهای مبتنی بر نوسان منابع انرژی تجدیدپذیر رخ می دهد، یک چالش جدید برای سنتز متانول است. بسته به شرایط عملیاتی یا مواد خام موجود، خواص گازهای کارخانه کک، کوره بلند (تبدیل سنگ آهن به آهن خام) یا مبدل (تبدیل آهن خام به فولاد) می تواند به طور قابل توجهی متفاوت باشد. با داده های جمع آوری شده، اکنون می توان یک مفهوم کنترلی طراحی کرد تا به تغییرات در زمان واقعی پاسخ دهد و سنتز را همیشه در نقطه عملیاتی بهینه نگه دارد.

مکس هادریچ می‌گوید: ما خوشحالیم که آزمایش‌ها را در دویسبورگ با موفقیت به پایان رساندیم و می‌توانیم خود را وقف افزایش این فرآیند کنیم. مدل‌های فرآیند تایید شده در مرحله بعدی برای طراحی کارخانه‌های در مقیاس بزرگ، انجام ارزیابی‌های فنی-اقتصادی و ارزیابی ردپای CO2 فرآیند مورد استفاده قرار خواهند گرفت.