Methanol speelt een belangrijke rol voor de industrie als basischemicaliën en wordt momenteel beschouwd als een van de belangrijkste energiedragers in de groeiende waterstofeconomie. De conventionele methanolproductie uit steenkool en aardgas genereert echter grote hoeveelheden broeikasgassen. Met het project Carbon2Chem hebben partners uit de industrie, het onderzoek en de academische wereld het tot hun missie gemaakt om processen voor de productie van methanol uit industriële afvalgassen te verkennen met de staalindustrie als voorbeeld.

Voor het eerst is de stabiliteit op lange termijn van de methanolsynthese uit werkelijk gezuiverd hoogovengas aangetoond in een Fraunhofer ISE-minifabriek met een productiecapaciteit van tien liter per dag gedurende in totaal meer dan 5.000 uur. In 2018 leverde thyssenkrupp de proof-of-concept voor de productie van methanol uit hoogovengas dat in dit project wordt gebruikt.

Fossiele methanolsynthese en staalproductie via de hoogovenroute op basis van steenkool zijn verantwoordelijk voor aanzienlijke CO₂ uitstoot van broeikasgassen. Door de twee processen aan elkaar te koppelen, kunnen we methanol uit puur fossiele brandstoffen vervangen door groene waterstof te laten reageren met de emissies van de staalproductie. "De verplichtingen onder het klimaatakkoord van Parijs kunnen alleen worden nagekomen door industriële sectoren met elkaar te verbinden. We moeten emissies die moeilijk te vermijden zijn in een cyclus brengen", legt Dr.-Ing uit. Achim Schaadt, hoofd van de afdeling Thermochemische Processen bij Fraunhofer ISE.

Het in 2016 gestarte project Carbon2Chem onderzoekt processen om procesgassen uit de staalindustrie om te zetten in basischemicaliën. "In Carbon2Chem worden innovatieve krachten uit de industrie, toegepast onderzoek en universiteiten gecombineerd om snel tot een implementeerbare, systeemgeoptimaliseerde totaaloplossing te komen", zegt Luis F. Piedra-Garza van thyssenkrupp Steel Europe.

Uitlaatgassen als educten

Fraunhofer ISE, dat al tien jaar actief is op het gebied van methanolsynthese, vertrouwde op een eenvoudig en robuust verwerkingsconcept voor de ontwikkeling van de miniplant. Het is gebaseerd op twee ongekoelde, adiabatische reactoren en een industriële recycling van de niet-gereageerde gassen. De fabriek werd in 2017 getest met cilindergassen bij Fraunhofer ISE in Freiburg voordat ze in 2019 werd overgebracht naar de Carbon2Chem-proeffabriek in Duisburg.

De uitlaatgassen van de aangrenzende geïntegreerde staalfabriek worden behandeld in een gaszuiveringssysteem van thyssenkrupp Industrial Solutions met behulp van katalysatoren en sorptiemiddelen van het speciaalchemiebedrijf Clariant en bevatten geen katalysatorvergiften voor de daaropvolgende synthese.

"Personeel van thyssenkrupp Uhde Engineering Services zorgt ervoor dat het gasreinigingssysteem de klok rond draait. De staalfabriek werkt in drie ploegen, dus er is altijd genoeg gas. We hebben daarom ideale omstandigheden voor continu bedrijf op proeffabriekschaal", legt Max Hadrich uit. , hoofd van de Power to Liquids-groep bij Fraunhofer ISE.

In totaal meer dan 5.000 bedrijfsuren ter plaatse werd meer dan 1.500 liter ruwe methanol geproduceerd. De focus lag op het gebruik van het gezuiverde hoogovengas, dat het grootste aandeel (85%) van de staalfabriekgassen uitmaakt. In een langdurige test van meer dan 3.000 uur werd geen significante afname van de katalysatoractiviteit gedetecteerd. Dit getuigt van de goede werking van de katalysator en het installatieontwerp. "Carbon2Chem en de samenwerking met Fraunhofer ISE bieden een ideaal kader om de prestaties van onze industriële MegaMax-katalysatoren voor methanolsynthese te onderstrepen voor de efficiënte en stabiele omzetting van CO₂ -rijke procesgassen", zegt Dr. Andreas Geisbauer van projectpartner Clariant.

Procesoptimalisatie met de digitale tweeling

Een belangrijke voorwaarde voor procesoptimalisatie van methanolsynthese uit CO₂ -rijk synthesegas is de verbetering van het kinetische model voor de Clariant-katalysator die wordt gebruikt in Carbon2Chem, aangezien reacties met een recyclelus zoals methanolsynthese een diep begrip van de complexe interacties van de procesparameters vereisen.

Op basis van het verbeterde kinetische model dat in eigen huis werd ontwikkeld, kon Fraunhofer ISE een digitale tweeling van de miniplant creëren. Dit zorgt voor een versnelling van de leerprocessen en minimaliseert opschalingsrisico's voor toekomstige industriële installaties. "Na onze modellen te hebben gevalideerd met gegevens van de miniplant, konden we de plantparameters simuleren en optimaliseren. Met behulp van de simulatieresultaten zijn we erin geslaagd om de prestaties van de miniplant stap voor stap te verhogen", zegt Florian Nestler, onderzoeksmedewerker bij Fraunhofer ISE .

Besturingsconcept voor dynamiek van de geïntegreerde staalfabriek

De staalfabriekgassen zijn een essentiële grondstof voor de fabriek, maar zijn niet constant in hun hoeveelheid en samenstelling. Deze randvoorwaarde, die vaak voorkomt bij processen op basis van fluctuerende hernieuwbare energiebronnen, is een nieuwe uitdaging voor de methanolsynthese. Afhankelijk van de bedrijfstoestand of beschikbare grondstoffen kunnen de eigenschappen van de gassen uit de cokesfabriek, de hoogoven (omzetting van ijzererts naar ruwijzer) of de convertor (omzetting van ruwijzer naar staal) sterk variëren. Met de verzamelde gegevens kan nu een besturingsconcept worden ontworpen om in realtime op veranderingen te reageren en de synthese te allen tijde op een optimaal werkpunt te houden.

"We zijn verheugd de proeven in Duisburg met succes te hebben afgerond en ons te kunnen wijden aan het opschalen van het proces", zegt Max Hadrich. De gevalideerde procesmodellen zullen in een volgende stap worden gebruikt om grootschalige installaties te ontwerpen, technisch-economische beoordelingen uit te voeren en de CO₂ te evalueren. voetafdruk van het proces. + Verder verkennen

Methanolsynthese:inzicht in de structuur van een raadselachtige katalysator