primero largo

15 de septiembre de 2022

por Christina Lotz, Instituto Fraunhofer para Sistemas de Energía Solar ISE

El metanol juega un papel importante para la industria como producto químico básico y actualmente se considera uno de los principales vectores de energía en la creciente economía del hidrógeno. Sin embargo, la producción convencional de metanol a partir de carbón y gas natural genera grandes cantidades de emisiones de gases de efecto invernadero. Con el proyecto Carbon2Chem, los socios de la industria, la investigación y el mundo académico se han propuesto explorar procesos para producir metanol a partir de gases residuales industriales usando la industria del acero como ejemplo.

Por primera vez, la estabilidad a largo plazo de la síntesis de metanol a partir de gas de alto horno purificado se ha demostrado ahora en una miniplanta Fraunhofer ISE con una capacidad de producción de diez litros por día durante un total de más de 5000 horas. En 2018, thyssenkrupp proporcionó la prueba de concepto para la producción de metanol a partir del gas de alto horno utilizado en este proyecto.

La síntesis de metanol fósil y la producción de acero a través de la ruta de los altos hornos a base de carbón son responsables de importantes emisiones de gases de efecto invernadero de CO2. La vinculación de los dos procesos nos permite sustituir el metanol de combustibles puramente fósiles al hacer reaccionar hidrógeno verde con las emisiones de la producción de acero. "Los compromisos en virtud del acuerdo climático de París solo pueden cumplirse mediante la vinculación de los sectores industriales. Tenemos que llevar las emisiones que son difíciles de evitar a un ciclo", explica el Dr.-Ing. Achim Schaadt, jefe del Departamento de Procesos Termoquímicos de Fraunhofer ISE.

El proyecto Carbon2Chem, que se lanzó en 2016, investiga procesos para convertir los gases de proceso de la industria del acero en productos químicos básicos. "En Carbon2Chem, las fuerzas innovadoras de la industria, la investigación aplicada y las universidades se combinan para alcanzar rápidamente una solución general implementable y sistemáticamente optimizada", dice Luis F. Piedra-Garza de thyssenkrupp Steel Europe.

Fraunhofer ISE, que ha estado trabajando en el campo de la síntesis de metanol durante diez años, se basó en un concepto de procesamiento simple y robusto para el desarrollo de la miniplanta. Se basa en dos reactores adiabáticos no refrigerados y un reciclaje al estilo industrial de los gases que no han reaccionado. La planta entró en operación de prueba con gases de cilindro en Fraunhofer ISE en Freiburg en 2017 antes de ser transferida a la planta piloto Carbon2Chem en Duisburg en 2019.

Los gases de escape de la siderúrgica integrada vecina se tratan en un sistema de purificación de gases de thyssenkrupp Industrial Solutions que utiliza catalizadores y adsorbentes de la empresa de productos químicos especializados Clariant y carecen de venenos de catalizador para la síntesis posterior.

"El personal de Thyssenkrupp Uhde Engineering Services mantiene el sistema de limpieza de gas en funcionamiento las 24 horas. La acería opera en tres turnos, por lo que siempre hay suficiente gas. Por lo tanto, tenemos las condiciones ideales para una operación continua a escala de planta piloto", explica Max Hadrich. , jefe del grupo Power to Liquids en Fraunhofer ISE.

En un total de más de 5000 horas de operación en el sitio, se produjeron más de 1500 litros de metanol crudo. La atención se centró en utilizar el gas de alto horno purificado, que representa la mayor parte (85 %) de los gases de las acerías. En una prueba a largo plazo que duró más de 3000 horas, no se detectó una disminución significativa en la actividad del catalizador. Esto da fe del buen funcionamiento del catalizador y del diseño de la planta. "Carbon2Chem y la colaboración con Fraunhofer ISE brindan un marco ideal para subrayar el rendimiento de nuestros catalizadores industriales de síntesis de metanol MegaMax para la conversión eficiente y estable de gases de proceso ricos en CO2", dice el Dr. Andreas Geisbauer del socio del proyecto Clariant.

Un requisito previo importante para la optimización del proceso de síntesis de metanol a partir de gas de síntesis rico en CO2 es la mejora del modelo cinético para el catalizador de Clariant utilizado en Carbon2Chem, ya que las reacciones con un circuito de reciclaje como la síntesis de metanol requieren una comprensión profunda de las complejas interacciones de los parámetros de proceso.

Sobre la base del modelo cinético mejorado desarrollado internamente, Fraunhofer ISE pudo crear un gemelo digital de la miniplanta. Esto permite la aceleración de los procesos de aprendizaje al tiempo que minimiza los riesgos de ampliación para futuras plantas industriales. "Después de validar nuestros modelos con datos de la miniplanta, pudimos simular y optimizar los parámetros de la planta. Usando los resultados de la simulación, logramos aumentar el rendimiento de la miniplanta paso a paso", dice Florian Nestler, investigador asociado de Fraunhofer ISE. .

Los gases de acería son una materia prima esencial para la planta, pero no son constantes en su cantidad y composición. Esta condición límite, que ocurre con frecuencia en procesos basados ​​en fuentes de energía renovables fluctuantes, es un nuevo desafío para la síntesis de metanol. Dependiendo de las condiciones de operación o de las materias primas disponibles, las propiedades de los gases de la planta de coque, el alto horno (conversión de mineral de hierro en arrabio) o el convertidor (conversión de arrabio en acero) pueden variar considerablemente. Con los datos recopilados, ahora se puede diseñar un concepto de control para responder a los cambios en tiempo real y mantener la síntesis en un punto operativo óptimo en todo momento.

"Nos complace haber completado con éxito las pruebas en Duisburg y poder dedicarnos a ampliar el proceso", dice Max Hadrich. Los modelos de proceso validados se utilizarán en un próximo paso para diseñar plantas a gran escala, realizar evaluaciones técnico-económicas y evaluar la huella de CO2 del proceso.