最初のロング

2022 年 9 月 15 日

Christina Lotz、フラウンホーファー太陽エネルギーシステム研究所 ISE 著

メタノールは汎用化学物質として産業にとって重要な役割を果たしており、現在、水素経済の台頭において重要なエネルギーキャリアの 1 つと考えられています。 しかし、石炭や天然ガスからの従来のメタノール製造では、大量の温室効果ガスが排出されます。 Carbon2Chem プロジェクトでは、産業界、研究機関、学術界のパートナーが、鉄鋼産業を例として産業排ガスからメタノールを製造するプロセスを探索することを使命としています。

実際の精製高炉ガスからのメタノール合成の長期安定性が、合計 5,000 時間以上にわたって 1 日あたり 10 リットルの生産能力を持つフラウンホーファー ISE ミニプラントで初めて実証されました。 2018 年、ティッセンクルップは、このプロジェクトで使用される高炉ガスからのメタノール製造の概念実証を提供しました。

石炭をベースとした高炉ルートによる化石メタノール合成と鉄鋼生産は、多量の CO2 温室効果ガス排出の原因となっています。 2 つのプロセスをリンクすることで、グリーン水素と鉄鋼生産からの排出物を反応させ、純粋な化石燃料からのメタノールを代替することができます。 「パリ気候協定に基づく約束は、産業部門を結びつけることによってのみ達成できます。回避が難しい排出をサイクルに組み込む必要があります。」とイング博士は説明します。 フラウンホーファー ISE の熱化学プロセス部門長、アヒム・シャート氏は次のように述べています。

2016 年に開始されたプロジェクト Carbon2Chem は、鉄鋼産業からのプロセスガスを基礎化学物質に変換するプロセスを研究しています。 「Carbon2Chem では、産業界、応用研究、大学の革新的な力が組み合わされて、実装可能でシステム的に最適化された全体的なソリューションに迅速に到達します」と thyssenkrupp Steel Europe の Luis F. Piedra-Garza 氏は述べています。

メタノール合成の分野で 10 年間取り組んできたフラウンホーファー ISE は、ミニプラントの開発においてシンプルかつ堅牢な処理コンセプトに依存しました。 これは、2 台の非冷却断熱反応器と、業界スタイルの未反応ガスのリサイクルに基づいています。 このプラントは、2017年にフライブルクのフラウンホーファーISEでシリンダーガスによる試験運転を開始し、その後2019年にデュイスブルクのCarbon2Chemパイロットプラントに移管されました。

隣接する総合製鉄所からの排ガスは、特殊化学会社クラリアントの触媒と吸着剤を使用してティッセンクルップ インダストリアル ソリューションズのガス精製システムで処理され、その後の合成に使用される触媒毒は除去されます。

「ティッセンクルップ・ウーデ・エンジニアリング・サービスの担当者は、ガス洗浄システムを 24 時間体制で稼働させています。製鉄所は 3 交代制で稼働しているため、常に十分なガスが存在します。したがって、パイロット プラント規模での連続稼働に理想的な条件が整っています」とマックス ハドリッヒ氏は説明します。 、フラウンホーファー ISE の Power to Liquids グループの責任者。

現場での合計 5,000 時間以上の稼働時間で、1,500 リットルを超える粗メタノールが生成されました。 製鉄所ガスの中で最大のシェア（85％）を占める高炉精製ガスの使用に重点が置かれました。 3,000時間以上の長期試験においても、触媒活性の大幅な低下は検出されませんでした。 これは、触媒とプラントの設計が良好に機能していることを証明しています。 「Carbon2Chem とフラウンホーファー ISE との協力は、CO2 豊富なプロセスガスの効率的かつ安定した変換のための当社の工業用 MegaMax メタノール合成触媒の性能を強調する理想的な枠組みを提供します」とプロジェクト パートナーであるクラリアントのアンドレアス ガイズバウアー博士は述べています。

CO2 リッチ合成ガスからのメタノール合成のプロセス最適化の重要な前提条件は、Carbon2Chem で使用されるクラリアント触媒の反応速度論モデルの改善です。メタノール合成などのリサイクル ループを伴う反応では、触媒の複雑な相互作用についての深い理解が必要となるためです。プロセスパラメータ。

社内で開発された改良された動力学モデルに基づいて、フラウンホーファー ISE はミニプラントのデジタル ツインを作成することができました。 これにより、将来の産業プラントのスケールアップのリスクを最小限に抑えながら、学習プロセスを加速できます。 「ミニプラントからのデータを使用してモデルを検証した後、プラントのパラメーターをシミュレーションして最適化することができました。シミュレーションの結果を使用して、ミニプラントのパフォーマンスを段階的に向上させることに成功しました」とフラウンホーファー ISE の研究員フロリアン ネスラー氏は述べています。 。

製鉄所ガスはプラントにとって不可欠な原料ですが、その量と組成は一定ではありません。 この境界条件は、変動する再生可能エネルギー源に基づくプロセスで頻繁に発生し、メタノール合成にとって新たな課題です。 運転条件や利用可能な原材料に応じて、コークス工場、高炉 (鉄鉱石から銑鉄への変換)、または転炉 (銑鉄から鋼への変換) からのガスの特性は大幅に変化する可能性があります。 収集されたデータを使用して、リアルタイムで変化に応答し、合成を常に最適な動作点に保つ制御コンセプトを設計できるようになります。

「デュイスブルクでの試験が無事に完了し、プロセスの拡大に専念できることを嬉しく思います」とマックス・ハドリッヒ氏は語る。 検証されたプロセス モデルは、次のステップで大規模プラントの設計、技術経済評価の実行、プロセスの CO2 排出量の評価に使用されます。