El gas de síntesis , o gas de síntesis , es una mezcla de gas combustible que consta principalmente de hidrógeno , monóxido de carbono y, muy a menudo, algo de dióxido de carbono . El nombre proviene de su uso como productos intermedios en la creación de gas natural sintético (SNG) [1] y para la producción de amoníaco o metanol . El gas de síntesis suele ser producto de la gasificación del carbón y la principal aplicación es la generación de electricidad . [ cita requerida ] El gas de síntesis es combustible y se puede utilizar como combustible demotores de combustión interna . [2] [3] [4] Históricamente, se ha utilizado como reemplazo de la gasolina, cuando el suministro de gasolina ha sido limitado; por ejemplo, el gas de madera se utilizó para propulsar automóviles en Europa durante la Segunda Guerra Mundial (solo en Alemania se construyeron o reconstruyeron medio millón de automóviles para que funcionaran con gas de madera). [5] Sin embargo, tiene menos de la mitad de la densidad energética del gas natural . [1]
El gas de síntesis se puede producir a partir de muchas fuentes, incluido el gas natural, el carbón, la biomasa o prácticamente cualquier materia prima de hidrocarburos, mediante reacción con vapor ( reformado con vapor ), dióxido de carbono ( reformado en seco ) u oxígeno ( oxidación parcial ). Es un recurso intermedio crucial para la producción de hidrógeno, amoníaco, metanol y combustibles de hidrocarburos sintéticos. También se utiliza como intermedio en la producción de petróleo sintético para su uso como combustible o lubricante mediante el proceso Fischer-Tropsch y anteriormente el proceso Mobil de metanol a gasolina .
Los métodos de producción incluyen el reformado con vapor de gas natural o hidrocarburos líquidos para producir hidrógeno, la gasificación de carbón, [6] biomasa y en algunos tipos de instalaciones de gasificación de conversión de residuos en energía .
Producción
La composición química del gas de síntesis varía según las materias primas y los procesos. El gas de síntesis producido por gasificación de carbón generalmente es una mezcla de 30 a 60% de monóxido de carbono, 25 a 30% de hidrógeno, 5 a 15% de dióxido de carbono y 0 a 5% de metano. También contiene una menor cantidad de otros gases. [7]
La principal reacción que produce el gas de síntesis, el reformado con vapor , es una reacción endotérmica con 206 kJ / mol de metano necesario para la conversión.
La primera reacción, entre el coque incandescente y el vapor, es fuertemente endotérmica, produciendo monóxido de carbono (CO) e hidrógeno H
2( gas de agua en terminología más antigua). Cuando el lecho de coque se ha enfriado a una temperatura a la que la reacción endotérmica ya no puede continuar, el vapor se reemplaza por una ráfaga de aire.
Luego tienen lugar la segunda y tercera reacciones, produciendo una reacción exotérmica, formando inicialmente dióxido de carbono y elevando la temperatura del lecho de coque, seguida de la segunda reacción endotérmica, en la que este último se convierte en monóxido de carbono, CO. La reacción general es exotérmico, formando "gas productor" (terminología más antigua). Luego se puede reinyectar vapor, luego aire, etc., para dar una serie interminable de ciclos hasta que finalmente se consume el coque. El gas productor tiene un valor energético mucho más bajo, en relación con el gas de agua, debido principalmente a la dilución con nitrógeno atmosférico. El oxígeno puro se puede sustituir por aire para evitar el efecto de dilución, produciendo un gas con un poder calorífico mucho mayor.
Cuando se utiliza como intermedio en la síntesis industrial a gran escala de hidrógeno (utilizado principalmente en la producción de amoniaco ), también se produce a partir de gas natural (a través de la reacción de reformado con vapor) de la siguiente manera:
Para producir más hidrógeno a partir de esta mezcla, se agrega más vapor y se lleva a cabo la reacción de cambio de gas de agua :
El hidrógeno debe estar separado del CO
2para poder usarlo. Esto se realiza principalmente mediante adsorción por cambio de presión (PSA), depuración de amina y reactores de membrana .
Tecnologías alternativas
Oxidación parcial catalítica de biomasa
La conversión de biomasa en gas de síntesis suele ser de bajo rendimiento. La Universidad de Minnesota desarrolló un catalizador metálico que reduce el tiempo de reacción de la biomasa hasta en un factor de 100. [8] El catalizador se puede operar a presión atmosférica y reduce la carbonización. Todo el proceso es autotérmico y, por lo tanto, no se requiere calentamiento. Se ha desarrollado otro proceso en DTU Energy que es eficiente y no tiene problemas de ensuciamiento del catalizador (en este caso, un catalizador de óxido de cerio). [9] [10]
Dióxido de carbono y metano
Un método de dos etapas desarrollado en 2012 produce gas de síntesis que consiste solo en monóxido de carbono e hidrógeno. En un primer paso, el metano se descompone a una temperatura superior a 1000 ° C, formando así una mezcla de carbono e hidrógeno [11] (reacción: CH 4 + energía -> C + 2 H 2 ). Preferiblemente, un calentador de plasma proporciona calentamiento en el primer paso. En un segundo paso, se añade CO 2 a la mezcla caliente de carbono e hidrógeno [12] (reacción: C + CO 2 -> 2 CO). El carbono y el CO 2 reaccionan a alta temperatura para formar monóxido de carbono (reacción: C + CO 2 -> 2 CO). La mezcla de monóxido de carbono de la segunda etapa y de hidrógeno de la primera etapa de forma de este modo un gas de síntesis de alta pureza que consisten solamente de CO y H 2 .
Alternativamente, el agua se puede utilizar en lugar de CO 2 en el segundo paso para lograr una mayor cantidad de hidrógeno en el gas de síntesis. [13] En este caso, la reacción del segundo paso es: C + H 2 O -> CO + H 2 . Ambos métodos también permiten variar la relación de CO a H 2 . [14]
Dióxido de carbono e hidrógeno
Energía de microondas
El CO 2 puede dividirse en CO y luego combinarse con hidrógeno para formar gas de síntesis [1] . El proyecto de combustibles solares del Instituto Holandés de Investigación Energética Fundamental está examinando un método para la producción de monóxido de carbono a partir de dióxido de carbono tratándolo con radiación de microondas . Se alega que esta técnica se utilizó durante la Guerra Fría en los submarinos nucleares rusos para permitirles deshacerse del gas CO 2 sin dejar un rastro de burbujas. [15] Las revistas disponibles públicamente publicadas durante la Guerra Fría indican que los submarinos estadounidenses usaban depuradores químicos convencionales para eliminar el CO 2 . [16] Los documentos publicados después del hundimiento del Kursk , un submarino de clase Oscar de la época de la Guerra Fría , indican que se utilizaron depuradores de superóxido de potasio para eliminar el dióxido de carbono en ese buque.
Energía solar
El calor generado por la energía solar concentrada puede usarse para impulsar reacciones termoquímicas para dividir el dióxido de carbono en monóxido de carbono o para producir hidrógeno. [17] El gas natural se puede utilizar como materia prima en una instalación que integre la energía solar concentrada con una planta de energía alimentada por gas natural aumentado con gas de síntesis mientras brilla el sol. [18] [19] [20]
Co-electrólisis
Empleando la co-electrólisis, es decir, la conversión electroquímica combinada de vapor ( H2O ) y dióxido de carbono ( CO
2) al monóxido de carbono (CO) con el uso de electricidad generada de forma renovable, el gas de síntesis se puede producir en el marco de un CO
2-Escenario de valoración, que permita un ciclo de carbono cerrado . [21]
Electricidad
Dependiendo de la tecnología utilizada para producir gas de síntesis, la electricidad puede ser un insumo importante.
El Laboratorio de Investigación Naval de EE. UU. Ha probado el uso de electricidad para extraer dióxido de carbono del agua y luego el cambio de gas de agua a gas de síntesis. [ cita requerida ] Este proceso se vuelve rentable si el precio de la electricidad es inferior a $ 20 / MWh. [22]
La electricidad generada a partir de fuentes renovables también se utiliza para procesar dióxido de carbono y agua en gas de síntesis mediante electrólisis a alta temperatura . Este es un intento de mantener la neutralidad de carbono en el proceso de generación. Audi , en asociación con la empresa Sunfire, abrió una planta piloto en noviembre de 2014 para generar e-diesel utilizando este proceso. [23]
Usos
Iluminación de gas
Los procesos de gasificación del carbón para crear gas de síntesis se utilizaron durante muchos años para fabricar gas de iluminación ( gas de carbón ) para iluminación de gas , cocina y, en cierta medida, calefacción, antes de que la iluminación eléctrica y la infraestructura de gas natural estuvieran ampliamente disponibles. [ cita requerida ]
Capacidad energética
El gas de síntesis que no está metanizado generalmente tiene un valor calorífico más bajo de 120 BTU / scf . [24] El gas de síntesis sin tratar se puede hacer funcionar en turbinas híbridas que permiten una mayor eficiencia debido a sus temperaturas de funcionamiento más bajas y la vida útil prolongada de las piezas. [24]
Plancha de esponja
El gas de síntesis se utiliza para reducir directamente el mineral de hierro a hierro esponjoso . [25]
Diesel
El gas de síntesis se puede utilizar en el proceso de Fischer-Tropsch para producir diesel, o se puede convertir, por ejemplo , en metano , metanol y éter dimetílico en procesos catalíticos .
Si el gas de síntesis se trata posteriormente mediante un procesamiento criogénico, debe tenerse en cuenta que esta tecnología tiene grandes dificultades para recuperar el monóxido de carbono puro si están presentes volúmenes relativamente grandes de nitrógeno debido a que el monóxido de carbono y el nitrógeno tienen puntos de ebullición muy similares que son: 191,5 ° C y –195,79 ° C respectivamente. Cierta tecnología de proceso elimina selectivamente el monóxido de carbono mediante la complejación / descomplejación del monóxido de carbono con cloruro de aluminio cuproso ( CuAlCl
4) disuelto en un líquido orgánico como el tolueno . El monóxido de carbono purificado puede tener una pureza superior al 99%, lo que lo convierte en una buena materia prima para la industria química. El gas de rechazo del sistema puede contener dióxido de carbono , nitrógeno , metano , etano e hidrógeno . El gas de rechazo se puede procesar más en un sistema de adsorción por cambio de presión para eliminar el hidrógeno , y el hidrógeno y el monóxido de carbono se pueden recombinar en la proporción adecuada para la producción de metanol catalítico, diesel Fischer-Tropsch, etc. Purificación criogénica, que consume mucha energía , no es adecuado para simplemente producir combustible, debido a la ganancia neta de energía muy reducida . [ cita requerida ]
Metanol
El gas de síntesis se usa para producir metanol como en la siguiente reacción.
Hidrógeno
El gas de síntesis se utiliza para producir hidrógeno para el proceso Haber .
Syngas de residuos
Se ha desarrollado una variedad de sistemas de gasificación de desechos en los años 1991 a 2000. [26] [27] Como ejemplo, el Ayuntamiento de Logan, Australia, utilizará un proceso de gasificación de desechos para reducir drásticamente el volumen de desechos que deben transportarse fuera del sitio. y producir gas de síntesis para alimentar la instalación. Una vez que se tratan las aguas residuales para eliminar patógenos y bacterias dañinos, los biosólidos restantes se calentarán a altas temperaturas para producir una mezcla de gas de síntesis compuesta principalmente de hidrógeno, monóxido de carbono, metano y dióxido de carbono. [28] El gas de síntesis producido en las instalaciones de gasificación de conversión de residuos en energía se puede utilizar, por ejemplo, para generar electricidad.
Ver también
- Biocarbón
- Economía de base biológica
- Biocombustibles
- Reacción de Boudouard
- Proceso de claus
- Gas de carbón
- Gas industrial
- Ciclo combinado de gasificación integrada
- Oxidación parcial
- Ciclo de plancha de esponja reformadora
- Fermentación de gas de síntesis
- Gasificación subterránea de carbón
Referencias
- ^ a b Beychok, MR, Tecnología ambiental y de proceso para producir SNG y combustibles líquidos , informe de la EPA de EE. UU. EPA-660 / 2-75-011, mayo de 1975
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enlaces externos
- "Planta de tratamiento de aguas residuales huele a éxito en ensayo de gas sintético" ARENA, consultado el 6 de diciembre de 2020
- Archivo de Fischer Tropsch
- https://www.technologyreview.com/s/508051/a-cheap-trick-enables-energy-efficient-carbon-capture/