Gas de síntesis

Syngas, o gas de síntesis, es una mezcla de hidrógeno y monóxido de carbono, en diversas proporciones. El gas a menudo contiene algo de dióxido de carbono y metano. Se utiliza principalmente para producir amoníaco o metanol. El gas de síntesis es combustible y se puede utilizar como combustible. Históricamente, se ha utilizado como reemplazo de la gasolina, cuando el suministro de gasolina ha sido limitado; por ejemplo, el gas de madera se usó 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).

Producción

El gas de síntesis se produce mediante reformado con vapor u oxidación parcial de gas natural o hidrocarburos líquidos, o gasificación de carbón. El reformado con vapor de metano es una reacción endotérmica que requiere 206 kJ/mol de metano:

CH₄ + H₂O → CO + 3 H₂

En principio, pero rara vez en la práctica, la biomasa y las materias primas de hidrocarburos relacionados podrían usarse para generar biogás y biocarbón en instalaciones de gasificación de conversión de residuos en energía. El gas generado (principalmente metano y dióxido de carbono) a veces se describe como gas de síntesis pero su composición difiere del gas de síntesis. Se ha explorado la generación de gas de síntesis convencional (principalmente H₂ y CO) a partir de biomasa residual.

Composición, vía de formación y termoquímica

La composición química del gas de síntesis varía según las materias primas y los procesos. El gas de síntesis producido por la gasificación del 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 menor cantidad de otros gases. Syngas tiene menos de la mitad de la densidad de energía del gas natural.

La primera reacción, entre el coque incandescente y el vapor, es fuertemente endotérmica y produce monóxido de carbono (CO) e hidrógeno H
₂ (gas de agua en la terminología más antigua). Cuando el lecho de coque se ha enfriado a una temperatura a la que ya no puede continuar la reacción endotérmica, el vapor se reemplaza por una ráfaga de aire.

Luego se llevan a cabo la segunda y la tercera reacciones, que producen una reacción exotérmica, que inicialmente forma dióxido de carbono y eleva la temperatura del lecho de coque, seguida de la segunda reacción endotérmica, en la que este último se convierte en monóxido de carbono. La reacción general es exotérmica, 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 gas de poder calorífico mucho más alto.

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:

CO + H₂O → CO₂ + H₂

El hidrógeno se puede separar del CO₂ mediante adsorción por oscilación de presión (PSA), lavado con amina y membrana reactores Se ha investigado una variedad de tecnologías alternativas, pero ninguna tiene valor comercial. Algunas variaciones se centran en nuevas estequiometrías como dióxido de carbono más metano o hidrogenación parcial de dióxido de carbono. Otras investigaciones se centran en nuevas fuentes de energía para impulsar los procesos, incluida la electrólisis, la energía solar, las microondas y los arcos eléctricos.

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 mediante este proceso.

El gas de síntesis que no se metaniza normalmente tiene un poder calorífico inferior de 120 BTU/scf. 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 una mayor vida útil de las piezas.

Usos

El gas de síntesis se utiliza como fuente de hidrógeno y como combustible. también se utiliza para reducir directamente el mineral de hierro a hierro esponja. Los usos químicos incluyen la producción de metanol, que es un precursor del ácido acético y muchos acetatos; combustibles líquidos y lubricantes mediante el proceso Fischer-Tropsch y anteriormente el proceso Mobil de metanol a gasolina; amoníaco a través del proceso Haber, que convierte el nitrógeno atmosférico (N₂) en amoníaco que se utiliza como fertilizante; y oxoalcoholes a través de un aldehído intermedio.