Синтез газ: способы получения, производство, состав и применение

История человечества знает довольно много примеров, когда в силу необходимости рождались кардинально новые подходы к решению существующих жизненно важных проблем. Например, в Германии в промежуток между первой и второй мировыми войнами, лишенной доступа к крупным нефтяным источникам, назревал серьезный дефицит топлива, которое было необходимо для функционирования гражданской и военной техники.

Располагая существенными запасами ископаемого угля, Германия начала искать пути его трансформации в жидкое топливо, пригодное для двигателей внутреннего сгорания. Эта проблему удалось решить благодаря усилиям превосходных химиков, из которых отдельного упоминания заслуживает Франц Фишер, директор Института кайзера Вильгельма по исследованию угля.

В 1926 году Ф. Фишер и Г. Тропш опубликовали работу "О прямом синтезе нефтяных углеводородов при нормальном давлении", где сообщалось, что при восстановлении монооксида углерода водородом при нормальном атмосферном давлении в присутствии катализаторов при температуре в 270 градусов по шкале Цельсия можно получить жидкие и твердые гомологи метана.

Так на свет появился знаменитый способ синтеза углеводородов из монооксида углерода, называемый с тех пор методом Фишера-Тропша. Благодаря данному методу смесь водорода и угарного газа в различных соотношениях может легко быть получена как из каменного угля, так и из любого другого сырья, содержащего углерод. Полученную в результате данного процесса смесь газов начали называть синтез-газом.

Состав синтез-газа

Как мы уже упомянули выше, в состав синтез-газа входят такие вещества как CO и H2. В зависимости от метода получения синтез-газа соотношение CO:Н₂ в нем варьируется от 1:1 до 1:3. В прямой зависимости от применяемого сырья и метода его соотношение компонентов в синтез-газе изменяется в широких пределах. Как правило, процентное содержание веществ в сыром неочищенном синтез-газе следующее:

• CO - 15-18%
• H2 - 38-40%
• CH4 - 9-11%
• CO2 - 30-32%

Стоит заметить, что данное соотношение является весьма приблизительным, поскольку повышением температуры в процессе синтеза можно увеличить количество СО, а увеличив давление можно повысить содержание Н₂ и СН₄.

Также, помимо данных веществ синтез-газ может содержать и другие вещества – инертные газы (N2) и серосодержащие соединения (H2S), если исходное сырье содержало серу. От не нужного присутствия в синтез-газе таких веществ как углекислый газ и сера избавляются путем очистки селективными растворителями.

Способы получения синтез-газа

Первым известным человечеству способом получения синтез-газа была газификация каменного угля. Данный способ был осуществлен в Англии еще в 30-е годы XIX века, и во многих странах мира до 50-х годов XX века. Впоследствии данная методика была вытеснена методами, основанными на использовании нефти и природного газа. Однако в связи с существенным сокращением мировых нефтяных ресурсов, значение процесса газификации каменного угля снова стало возрастать. К тому же, благодаря такому необходимому процессу как переработка ТБО, ученые научились добывать синтез-газ из новых, нетрадиционных источников.

Сегодня существуют три основных метода получения синтез-газа.

1. Газификация угля. Данный процесс основан на взаимодействии каменного угля с водяным паром и происходит по формуле:

C + H2O → H2 + CO.

Данная реакция является эндотермической, и равновесие при температуре 900-1000 по шкале Цельсия сдвигается вправо. Разработаны различные технологические процессы, использующие парокислородное дутье, благодаря которому наряду с упомянутой реакцией параллельно протекает экзотермическая реакция сгорания угля, которая обеспечивает необходимый тепловой баланс. Ее формула:

C + 1/2O2 → CO.

2. Конверсия метана. Данная реакция взаимодействия водяного пара и метана проводится при повышенной температуре (800-900 градусов) и давлении при присутствии никелевых катализаторов (Ni-Al2O3). Формула данного процесса:

CH4 + H2O → CO + 3H2 .

Также в качестве сырья в данном способе вместо метана можно использовать любое сырье, содержащее углеводород.

3. Парциальное окисление углеводородов. Данный процесс, происходящий при температурах выше 1300 градусов заключается в термическом окислении углеводородов. Формула данной реакции:

CnH2n + 2 + 1/2nO2 → nCO + (n + 1)H2 .

Данный способ применим к любому сырью, содержащему углеводороды но наиболее часто используется высококипящая фракция нефти - мазут.

Производство синтез-газа

Сегодня производство синтез-газа постоянно совершенствуется, поскольку востребованность данного сырья неизменно растет с каждым годом. В настоящее время учеными разрабатываются проекты подземной газификации угля, то есть планируется, что получение синтез-газа будет происходить непосредственно в пласте угля глубоко под землей. Интересен тот факт, что подобную идею уже высказывал известнейший русский ученый Д.И. Менделеев, причем более 150 лет назад.

Также благодаря современным разработкам сегодня синтез-газ научились получать газификацией не только угля и нефти, но и более нетрадиционных источников углерода, вплоть до бытовых и сельскохозяйственных отходов. Таким образом, сегодня мусороперерабатывающие заводы способны добывать такое ценное сырье как синтез газ в процессе утилизации отходов.

Применение синтез-газа

Сегодня синтез-газ используется в химической промышленности для получения различного сырья. Кроме этого, он также используется в качестве экологически чистого источника тепла и энергии. Сжигая синтез-газ можно получить достаточно большое количество тепла, которое можно использовать в самых различных целях.

Кроме этого, синтез газ используется в качестве исходного сырья для метилового спирта и синтетического жидкого топлива, которое по своим характеристикам ни в чем не уступает традиционному.