Gas de síntese

Na Galipedia, a Wikipedia en galego.
Gas de madeira, un gas de síntese ardendo.

O gas de síntese ou syngas é unha mestura de gas combustible que consta principalmente de hidróxeno, monóxido de carbono e con frecuencia algo de dióxido de carbono. O nome procede do seu uso como intermediario na creación de gas natural sintético[1] e para producir amoníaco ou metanol. O gas de síntese ou syngas é xeralmene un produto da gasificación e a súa principal aplicación é a xeración de electricidade. O gas de síntese é un combustible e utilízase a miúdo como combustible de motores de combustión interna.[2][3][4] Ten unha densidade de enerxía que é menos da metade que a do gas natural.

O gas de síntese pode producirse a partir de moitas fontes, como o gas natural, carbón, biomasa, ou virtualmente calquera hidrocarburo, por reacción con vapor (reformado con vapor), dióxido de carbono (reformado seco) ou oxíxeno (oxidación parcial). O gas de síntese ou syngas é unha fonte intermediaria esencial para a produción de hidróxeno, amoníaco, metanol, e combustibles de hidrocarburos sintéticos. O gas de síntese úsase tamén como intermediario na produción de petróleo sintético para o seu uso como combustible ou lubricante por medio do proceso Fischer-Tropsch e previamente polo proceso de metanol a gasolina da compañía Mobil.

Os métodos de produción inclúen o reformado con vapor de gas natural ou hidrocarburos líquidos para producir hidróxeno, a gasificación de carbón,[5] biomasa, e nalgúns tipos de instalacións a gasificación de enerxía obtida a partir de lixo.

Química da produción[editar | editar a fonte]

A composición química do gas de síntese varía dependendo das materias primas e os procesos utilizados. O producido por gasificación do carbón xeralmente é unha mestura dun 30 a 60% de monóxido de carbono, 25 a 30% de hidróxeno, 5 a 15% de dióxido de carbono, e 0 a 5% de metano. Tamén contén cantidades menores doutros gases.[6]

A principal reacción que produce gas de síntese é o reformado con vapor, que é unha reacción endotérmica na que se necesitan 206 kJ/mol do metano para a conversión.

A primeira reacción, entre o coque incandescente e o vapor, é fortemente endotérmica, e produce monóxido de carbono (CO) e hidróxeno H
2
(a mestura de CO e H
2
é o chamado "gas de auga" na vella terminoloxía). Unha vez que o leito de coque arrefriou ata unha temperatura á cal a reacción endotermica xa non pode continuar, o vapor é substituído por un refacho de aire.

Entón, teñen lugar a segunda e terceira reaccións, producindo primeiro unha reacción exotérmica (formando inicialmente dióxido de carbono e elevando a temperatura do leito de coque) seguida por unha segunda reacción endotérmica, na cal este é convertido en monóxido de carbono. A reacción global é exotérmica, formándose o chamado "gas produtor" (na vella terminoloxía). Pode reinxectarse vapor, despois aire etc., para dar lugar a unha serie sen fin de ciclos ata que o coque se consome finalmente. O gas produtor ten moito menor valor enerxético en relación ao gas de auga, debido principalmente á dilución con nitróxeno atmosférico. O oxíxeno puro pode substituír ao aire para evitar o efecto de dilución, producindo gas de moito maior valor calorífico.

Cando se usa como intermediario na síntese industrial a grande escala de hidróxeno (principalmente usado na produción de amoníaco), tamén se produce a partir de gas natural (por medio da reacción de reformado con vapor), tal como segue:

CH
4
+ H
2
O
CO + 3H
2

Para producir máis hidróxeno a partir desta mestura, engádese máis vapor e lévase a cabo o cambio a gas de auga:

CO + H
2
O
CO
2
+ H
2

O hidróxeno, para poder usarse, debe separarse do CO
2
co que está mesturado. Isto faise principalmente por adsorción por inversión de presión (ou PSA, do inglés pressure swing adsorption), tratamento de gas con aminas, e reactores de membrana.

Tecnoloxías alternativas[editar | editar a fonte]

Oxidación parcial catalítica de biomasa[editar | editar a fonte]

A conversión de biomasa en gas de síntese ten normalmente un baixo rendemento. A Universidade de Minesota desenvolveu un catalizador metal que reduce o tempo de reacción da biomasa nun factor de 100.[7] O catalizador pode operar a presión atmosférica e a carbonización é reducida. O proceso completo é autotérmico e, por tanto, non é necesario quentar.

Dióxido de carbono e hidróxeno[editar | editar a fonte]

Enerxía das microondas[editar | editar a fonte]

O CO2 pode ser escindido a CO e despois combinado con hidróxeno par formar gas de síntese [1]. Un método para a produción de monóxido de carbono a partir de dióxido de carbono tratándoo con radiación de microondas está sendo examinado polo proxecto de combustibles solares do Instituto Holandés para a Investigación en Enerxía Fundamental. Afirmouse que esta técnica foi usada durante a Guerra fría en submarinos nucleares rusos para permitirlles desfacerse do gas CO2 sen deixar unha traza de burbullas.[8] Na prensa diaria publicouse durante esa mesma época que os submarinos americanos usaban depuradores químicos convencionais para eliminar o CO2.[9] Documentos coñecidos despois do afundimento do Kursk, que era un submarino de clase Oscar da época da Guerra fría, indican que no buque se utilizaban depuradores de superóxido de potasio para eliminar o CO2.

Enerxía solar[editar | editar a fonte]

A calor xerada pola enerxía solar concentrada pode usarse para impulsar reaccións termoquímicas para escindir o dióxido de carbono a monóxido e producir hidróxeno.[10] Pode usarse o gas natural como materia prima nunha instalación que integra a enerxía solar concentrada con enerxía dunha planta que usa como combustible gas natural aumentado con gas de síntese mentres loce o sol.[11][12][13] O proxecto luz do sol a petróleo desenvolveu un aparello que permite unha eficiente produción usando esta técnica, que se chama CR5.[14][15][16][17]

Enerxía eólica[editar | editar a fonte]

Propúxose tamén un sistema de enerxía eólica para fornecer calor á reacción de reformado con vapor.[18] Isto evita ter que queimar gas natural para quentar e simplifica radicalmente o reformador de vapor.

Coelectrólise[editar | editar a fonte]

Empregando a coelectrólise, é dicir, a conversión electroquímica de vapor e dióxido de carbono co uso de electricidade xerada de forma renovable, o gas de síntese pode producirse no marco dun escenario de valorización de CO2, o que permite un ciclo pechado do carbono.[19]

Electricidade[editar | editar a fonte]

O uso de electricidade para extraer dióxido de carbono da auga[20][21][22][23][24] e despois converter gas de auga en gas de síntese foi ensaiado polo US Naval Research Lab.

Fontes renovables[editar | editar a fonte]

A electricidade xerada a partir de fontes renovables tamén se usa para procesar dióxido de carbono e auga a gas de síntese por medio de electrólise a alta temperatura. Isto é un intento de manter a neutralidade no balance de emisión de carbono no proceso de xeración. Audi, en asociación coa compañía Sunfire, abriu unha planta piloto en novembro de 2014 para xerar e-diesel usando este proceso.[25]

Usos[editar | editar a fonte]

Os procesos de gasificación do carbón para crear gas de síntese foron utilizados durante moitos anos para fabricar gas de alumado para iluminar rúas e casas, cociñar e, ata certo punto, para a calefacción, antes de que a iluminación eléctrica e as infraestruturas de gas natural se fixesen amplamente dispoñibles. O gas de síntese producido nas instalacións de gasificación para ober enerxía a partir do lixo pode utilizarse para xerar electricidade.

Postratamento[editar | editar a fonte]

O gas de síntese pode utilizarse no proceso Fischer-Tropsch para producir diésel, ou convertirse en, por exemplo, metano, metanol e dimetil éter en procesos catalíticos.

Se o gas de síntese é postratado cun procesamento crioxénico, debería terse en conta que esta tecnoloxía ten grandes dificultades para recuperar o monóxido de carbono puro se están presentes volumes relativamente grandes de nitróxeno debido a que o monóxido de carbono e o nitróxeno teñen puntos de ebulición moi similares, que son –191.5 °C e –195.79 °C, respectivamente. Certos procesos eliminan con tecnoloxía selectiva o monóxido de carbono por complexación/descomplexación de monóxido de carbono con cloruro de aluminio cuproso (CuAlCl
4
) disolvido nun líquido orgánico como o tolueno. O monóxido de carbono purificado pode ter unh pureza maior do 99%, o que o fai unha boa materia prima para a industria química. O gas rexeitado do sistema pode conter dióxido de carbono, nitróxeno, metano, etano e hidróxeno. O gas rexeitado pode ser despois procesado nun sistema de adsorción por inversión de presión para eliminar o hidróxeno, mentres que o hidróxeno e o monóxido de carbono poden ser recombinados na correcta proporción para a produción catalítica de metanol, ou o diésel por Fischer-Tropsch etc. A purificación crioxénica, como é moi intensa enerxeticamente, non é moi axeitada para fabricar simplemente combustible, debido a que se reduce moito a ganancia enerxética neta.

Capacidade enerxética[editar | editar a fonte]

O gas de síntese que non é metanizado ten tipicamente un valor calorífico de 120 BTU/scf .[26] O gas de síntese sen tatar pode facerse pasar a través de turbinas híbridas que permiten unha maior eficiencia porque operan a menores temperaturas, o que aumenta a duración das pezas.[26]

Notas[editar | editar a fonte]

  1. Beychok, M.R., Process and environmental technology for producing SNG and liquid fuels, U.S. EPA report EPA-660/2-75-011, maio de 1975
  2. "Syngas Cogeneration / Combined Heat & Power". Clarke Energy. Consultado o 22 de febreiro de 2016. 
  3. Mick, Jason (3 de marzo de 2010). "Why Let it go to Waste? Enerkem Leaps Ahead With Trash-to-Gas Plans". DailyTech. Consultado o 22 de febreiro de 2016. 
  4. Boehman, André L.; Le Corre, Olivier (2008). "Combustion of Syngas in Internal Combustion Engines". Combustion Science and Technology (Taylor & Francis) 180 (6): 1193–1206. doi:10.1080/00102200801963417. Consultado o 22 de febreiro de 2016. 
  5. Beychok, M.R., Coal gasification and the Phenosolvan process, American Chemical Society 168th National Meeting, Atlantic City, setembro de 1974
  6. "Syngas composition". National Energy Technology Laboratory, U.S. Department of Energy. Consultado o 7 de maio de 2015. 
  7. "Syngas Production Using a Biomass Gasification Process". University of Minnesota. Consultado o 22 de febreiro de 2016. 
  8. NWT magazine 6/2012
  9. Carey, R.; Gomezplata, A.; Sarich, A. (xaneiro de 1983). "An overview into submarine CO2 scrubber development". Ocean Engineering 10 (4): 227–233. doi:10.1016/0029-8018(83)90010-0. 
  10. "Sunshine to Petrol" (PDF). Sandia National Laboratories. Consultado o 11 de abril de 2013. 
  11. "Integrated Solar Thermochemical Reaction System". U.S. Department of Energy. Consultado o 11 de abril de 2013. 
  12. Matthew L. Wald (10 de abril de 2013). "New Solar Process Gets More Out of Natural Gas". The New York Times. Consultado o 11 de abril de 2013. 
  13. Frances White. "A solar booster shot for natural gas power plants". Pacific Northwest National Laboratory. Consultado o 12 de abril de 2013. 
  14. D'Alessio, L.; Paolucci, M. (1989). "Energetic aspects of the syngas production by solar energy: Reforming of methane and carbon gasification". Solar & Wind Technology (Elsevier) 6 (2): 101–104. doi:10.1016/0741-983X(89)90018-0. Consultado o 22 de febreiro de 2016. 
  15. "Creating fuel from sunlight". University of Minnesota. 23 de outubro de 2013. Consultado o 22 de febreiro de 2016. 
  16. Sunshine-to-Petrol project referencia 1
  17. Sunshine-to-Petrol project referencia 2
  18. L. Goldstein. "Beyond electricity generation: airborne wind energy system for synthetic fuel production and energy storage". Presentation at Airborne Wind Energy Conference, 2013. 
  19. "Power-to-Syngas - an enabling technology for the transition of the energy system? Production of tailored synfuels and chemicals using renewably generated electricity". S. Foit, I.C. Vince, L.G.J. de Haart, R.-A. Eichel, Angew. Chem. Int. Ed. (2016) http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.201607552/abstract
  20. http://www.dtic.mil/get-tr-doc/pdf?AD=ADA544002
  21. http://www.dtic.mil/get-tr-doc/pdf?AD=ADA539765
  22. http://www.dtic.mil/get-tr-doc/pdf?AD=ADA589263
  23. http://www.dtic.mil/get-tr-doc/pdf?AD=ADA565466
  24. http://www.dtic.mil/get-tr-doc/pdf?AD=ADA544072
  25. "Audi in new e-fuels project: synthetic diesel from water, air-captured CO2 and green electricity; "Blue Crude"". Green Car Congress. 14 de novembro de 2014. Consultado o 29 de abril de 2015. 
  26. 26,0 26,1 Emmanuel O. Oluyede. "FUNDAMENTAL IMPACT OF FIRING SYNGAS IN GAS TURBINES". Clemson/EPRI. Consultado o 2016-06-13. 

Véxase tamén[editar | editar a fonte]

Ligazóns externas[editar | editar a fonte]