ES2922890T3 - Proceso para producir un gas natural sustituto a partir de gas de síntesis - Google Patents

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Abstract

Un proceso para producir un gas natural sustituto, comprendiendo el proceso los pasos de: (1) proporcionar un gas de síntesis que comprende hidrógeno y monóxido de carbono; (2) formar un gas de síntesis enriquecido con hidrógeno; (3) someter el gas de síntesis enriquecido en hidrógeno a una reacción de metanación para convertir al menos una parte del gas en metano formando así un gas enriquecido en metano; y (4) recuperar del gas enriquecido en metano un gas que contiene metano, en el que el paso (2) comprende proporcionar hidrógeno gaseoso y combinar el hidrógeno gaseoso con el gas de síntesis. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN
Proceso para producir un gas natural sustituto a partir de gas de síntesis
La invención se refiere a un proceso para producir un gas natural sustituto.
El gas natural sustituto (SNG) se puede producir a partir de combustibles fósiles tal como el carbón, y se sabe que incorpora SNG junto con gas natural en una red de gas. El gas natural sustituto obtenido a partir de materias primas biogénicas también se conoce y se denomina bio-SNG. Ante la necesidad de emplear más fuentes de energía renovables, se propone distribuir GSN y bio-GNS junto con gas natural en una red de gas.
Es conocido fabricar SNG a partir de un gas de síntesis (una mezcla de gases que comprende principalmente hidrógeno y monóxido de carbono). Los gases de síntesis se pueden obtener, por ejemplo, mediante la gasificación de una materia prima de hidrocarburo. En un método típico para fabricar SNG, el gas de síntesis se somete a una reacción de metanación para convertir el monóxido de carbono en metano.
Los gases de síntesis típicos tienen una relación de hidrógeno a monóxido de carbono en el en el intervalo de 0,7-1,2:1. Dado que la metanación requiere una relación de hidrógeno a monóxido de carbono de 3:1, la relación de hidrógeno a monóxido de carbono en el gas de síntesis típicamente aumenta antes de la metanación al hacer reaccionar una porción del monóxido de carbono con agua para producir hidrógeno y dióxido de carbono. Esto se conoce como la reacción de “cambio de agua y gas”. Si bien este aumento en la relación hidrógeno:monóxido de carbono aumenta la cantidad de metano formado durante la metanación posterior, da como resultado que alrededor de dos tercios del contenido de carbono del gas de síntesis se elimine del proceso como dióxido de carbono. Esto da como resultado que el proceso sea costoso y químicamente derrochador, y tenga altas emisiones de carbono. Además, el proceso requiere una serie de etapas de purificación para separar el metano del dióxido de carbono residual, de esta manera se añade a la complejidad del proceso.
El documento WO2015/120983A1 se refiere a un método y sistema para producir biometano. El documento CN204342750U se refiere a una estructura para preparar gas natural mediante la utilización de preparación de hidrógeno por electrólisis y gas de síntesis a partir de carbón. El documento WOOO/21911A1 se refiere a un proceso para convertir hidrógeno en gas natural sustituto. El documento GB2485923A se refiere a un proceso para aumentar el contenido de hidrógeno en un gas de síntesis. El documento EP2843031A1 se refiere al proceso y sistema de cogeneración eficiente de gas-vapor basado en la gasificación y metanación de biomasa. El documento EP2236457A1 se refiere a un proceso para producir un gas de síntesis purificado. El documento US2010/0286292A1 se relaciona con un proceso para la producción de gas natural sustituto.
El documento US2010/0272619A1 se refiere a un método y aparato para la generación de gas natural sustituto. El documento DE102012200221 describe la producción de un gas rico en metano, útil como combustible para celdas de combustible.
El documento DE102012015788 describe la generación y el almacenamiento de energía mediante la combustión y síntesis de metano. El documento WO2012/067754 describe un proceso para fabricar gas natural sintético.
El documento DE102012010542 describe un proceso para la producción de un gas de síntesis.
El documento WO2015/011503 describe un proceso para fabricar gas natural sintético.
La presente invención busca abordar al menos algunas de las limitaciones asociadas con la técnica anterior o al menos para proporcionar una solución alternativa comercialmente aceptable a las mismas.
En un primer aspecto, la presente invención proporciona un proceso para producir un gas natural sustituto, el proceso comprende las etapas de:
(1) proporcionar un gas de síntesis que comprende hidrógeno y monóxido de carbono;
(2) formar un gas de síntesis enriquecido con hidrógeno;
(3) someter el gas de síntesis enriquecido en hidrógeno a una reacción de metanación para convertir al menos una porción del gas en metano para formar de esta manera un gas enriquecido en metano; y
(4) recuperar del gas enriquecido en metano un gas que contiene metano, en donde la etapa (2) comprende proporcionar un gas hidrógeno y combinar el gas hidrógeno con el gas de síntesis, en donde:
(i) al menos parte del hidrógeno gaseoso se produce por la descomposición del amoniaco y/o
(ii) al menos parte del hidrógeno gaseoso se produce por reformado con vapor de una materia prima de hidrocarburo.
El proceso de la presente invención puede exhibir velocidades de conversión mejoradas y puede requerir menos etapas de refinado y/o purificación. Además, el proceso puede permitir el control de la reacción de metanación altamente exotérmica, lo que mejora la seguridad y aumenta el rendimiento general del proceso. Además, el proceso es altamente sostenible y típicamente no genera emisiones de dióxido de carbono. La invención también puede proporcionar una función efectiva de equilibrio de la red eléctrica.
Cada aspecto o modalidad como se define en la presente descripción puede combinarse con cualquier otro aspecto o modalidad a menos que se indique claramente lo contrario. En particular, cualquier característica indicada como preferida o ventajosa puede combinarse con cualquier otra característica indicada como preferida o ventajosa. El término "gas natural sustituto" o "SNG", como se usa en la presente, abarca un gas que comprende principalmente metano.
El término "gas de síntesis" o "síntesis de gas", como se usa en la presente, abarca una mezcla de gases que comprende principalmente hidrógeno y monóxido de carbono. También puede comprender además especies gaseosas tal como dióxido de carbono, vapor de agua y nitrógeno, que en conjunto típicamente no excederían el 30 % en vol. También puede contener impurezas tal como, por ejemplo, partículas sólidas y especies alquitranadas. La cantidad de estas impurezas presentes típicamente no excederá el 5 % p/p.
El término "reacción de desplazamiento del gas de agua", como se usa en la presente, abarca una reacción en la que el monóxido de carbono reacciona con el vapor de agua para formar dióxido de carbono e hidrógeno, es decir.
Figure imgf000003_0001
El término "reacción de metanación", como se usa en la presente, abarca una reacción en la que el monóxido de carbono reacciona con hidrógeno para formar metano y agua, es decir.
CO{g) 3H2(g) —► CH4(g) H20(g)
El término "reacción de Sabatier", como se usa en la presente, abarca una reacción en la que el dióxido de carbono reacciona con hidrógeno para formar metano y agua, es decir.
Figure imgf000003_0002
El término "reformado con vapor", como se usa en la presente, abarca una reacción en la que un alcano, tal como el metano, reacciona con agua para producir hidrógeno y monóxido de carbono, es decir.
CH4(g) H20(g) -> CO(g) 3H2(g)
El término "número de Wobbe" como se usa en la presente se define como:
Figure imgf000003_0003
donde lw es el número de Wobbe, Vc es el poder calorífico superior o poder calorífico superior, y Gs es la gravedad específica. El número de Wobbe puede calcularse mediante la metodología adecuada, como la iSo 6976. El número de Wobbe (a veces denominado índice de Wobbe) proporciona una indicación de la intercambiabilidad de los gases combustibles y se usa universalmente como determinante en las especificaciones de calidad del gas usadas en las redes de gas o los servicios de transporte. En términos físicos, el número de Wobbe compara la producción de energía de combustión de los gases combustibles de composición variable para un aparato (es decir, una caldera o una cocina), de manera que dos combustibles que tienen un número de Wobbe idéntico también tendrán la misma producción de energía (al suponer que todos los demás factores, tal como la presión y el régimen de flujo se mantienen constantes). El número de Wobbe es especialmente importante cuando se considera el impacto de inyectar SNG en la red de gas.
Antes de la etapa (2) y/o la etapa (3), el gas de síntesis se puede limpiar en una serie de etapas para eliminar diversas especies contaminantes que, de cualquier otra manera, envenenarían los procesos catalíticos aguas abajo. Los contaminantes que pueden necesitar ser eliminados variarán en dependencia de la composición química de la materia prima y las condiciones bajo las cuales se convierte en gas de síntesis. Los contaminantes típicos incluyen especies de azufre y cloruro, alquitranes, hidrocarburos insaturados, metales pesados y partículas. Dichas especies contaminantes pueden eliminarse, por ejemplo, mediante absorción/adsorción física o química. Antes de la etapa (3), el gas de síntesis puede someterse a un "pulido". Por ejemplo, puede usarse un lecho protector (por ejemplo, un lecho protector de ZnO) para reducir las impurezas de azufre y cloro más abajo de 20 ppb, al minimizar de esta manera la velocidad de envenenamiento de los catalizadores usados en la reacción de metanación.
Como se discutió anteriormente, la reacción de metanación tiende a la terminación con una relación de hidrógeno a monóxido de carbono superior a 3:1. Los gases de síntesis típicos tienen un hidrógeno (H2) a relación de monóxido de carbono en el intervalo de 0,7-1,2:1. El enriquecimiento del gas de síntesis en la etapa (2) aumenta la relación de hidrógeno a carbono, al aumentar de esta manera la cantidad de metano que se puede generar en la reacción de metanación de la etapa (3). En consecuencia, aumenta la velocidad de conversión del proceso.
La etapa (2) comprende proporcionar hidrógeno gaseoso y combinar el hidrógeno gaseoso con el gas de síntesis (es decir, añadir hidrógeno gaseoso adicional al gas de síntesis). En otras palabras, por el contrario de los métodos de producción de SNG de la técnica anterior, el gas de hidrógeno adicional no se genera in situ, es decir, se genera externamente. Además, el hidrógeno gaseoso adicional no se genera por reacción de especies contenidas en el gas de síntesis, tal como el monóxido de carbono. Esto permite controlar la cantidad de hidrógeno, así como también las relaciones de hidrógeno a monóxido de carbono y dióxido de carbono. En los procesos de producción de SNG convencionales, se genera hidrógeno in situ a través de una reacción de desplazamiento del gas de agua. Si bien la reacción de desplazamiento del gas de agua aumenta la relación de hidrógeno a monóxido de carbono, lo hace generando dióxido de carbono como subproducto. La cantidad de hidrógeno generada por la reacción de cambio de agua y gas nunca puede ser suficiente para la terminación del proceso (es decir, la conversión completa de todo el monóxido de carbono y el dióxido de carbono en metano). Esto da como resultado que alrededor de dos tercios del carbono contenido en el gas de síntesis se eliminen, de esta manera disminuya la velocidad de conversión de carbono y da como resultado altos niveles de emisiones de carbono.
Por el contrario, con los procesos de producción de SNG convencionales, el proceso de la presente invención puede proporcionar un exceso de hidrógeno en la reacción de metanación, de esta manera permite una conversión casi completa del monóxido de carbono en metano. En consecuencia, en comparación con los procesos de producción de SNG convencionales, el proceso de la presente invención produce de 2 a 3 veces más metano a partir del mismo gas de síntesis. Además, en vista del exceso de hidrógeno presente, cualquier dióxido de carbono contenido en el gas de síntesis también puede convertirse en metano, por ejemplo, mediante la reacción de Sabatier. En consecuencia, por el contrario, con los procesos de producción de SNG convencionales, el proceso de la presente invención puede resultar en la conversión completa del contenido de carbono del gas de síntesis en metano. En consecuencia, el proceso de la presente invención es muy eficiente y, típicamente tampoco genera emisiones de dióxido de carbono. Además, dado que el gas enriquecido en metano típicamente comprende sustancialmente solo metano y agua, se requieren pocas etapas de procesamiento y/o purificación posteriores, si es que se requiere alguno. En consecuencia, por el contrario, con los procesos de producción de SNG convencionales, el proceso de la presente invención se simplifica.
Como se discutió anteriormente, el contenido de hidrógeno del gas de síntesis enriquecido con hidrógeno puede exceder el contenido de carbono (es decir, el monóxido de carbono y el dióxido de carbono). Los niveles de monóxido de carbono y dióxido de carbono variarán en dependencia de la fuente y/o el método de producción del gas de síntesis. En vista de las diferentes proporciones de especies de hidrógeno: carbono requeridas por la reacción de metanación y la reacción de Sabatier, se obtendrá un "exceso" de hidrógeno en el gas enriquecido en hidrógeno cuando se cumpla la siguiente ecuación:
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La reacción de metanación se lleva a cabo preferentemente a una temperatura de 200 a 450 °C. Tales temperaturas permiten flexibilidad en el diseño del reactor que, por lo tanto, puede funcionar en condiciones isotérmicas o adiabáticas (o una combinación de reactores que funcionan en serie).
La reacción de metanación se puede llevar a cabo en presencia de, por ejemplo, un catalizador de metal de transición tal como, por ejemplo, un catalizador que contiene níquel o un catalizador que contiene hierro. Un ejemplo de un catalizador adecuado para el catalizador de metanación es un catalizador de metanación comercial de Johnson Matthey en forma de gránulo - Katalco 11-4m que contiene 22 % de Ni (base metálica). Los catalizadores pueden estar soportados, por ejemplo, sobre sustratos de alúmina, sílice o zeolita.
En la etapa (3), al menos una porción del gas mejorado con hidrógeno se convierte en metano. Típicamente, la mayoría del monóxido de carbono en el gas de síntesis mejorado con hidrógeno se convierte en metano, más típicamente, sustancialmente todo el monóxido de carbono en el gas de síntesis mejorado con hidrógeno se convierte en metano.
En la etapa (3), para asegurar altas eficiencias de conversión a metano, puede usarse un reactor de múltiples etapas, por ejemplo, al emplear un catalizador de níquel. La temperatura del reactor puede controlarse mediante una serie de técnicas incluidas: inyección en varias etapas del reactivo, reciclaje de una parte de la corriente de producto para controlar la extensión de la reacción en equilibrio y el uso de enfriamiento entre o dentro de la etapa. Las configuraciones de diseño del reactor y los materiales del catalizador empleados pueden modificarse en dependencia de la química del proceso específico y la clasificación térmica de la instalación. La reacción de metanación es altamente exotérmica y es difícil de controlar en un proceso convencional. El proceso de la presente invención puede incluir la adición independiente de hidrógeno en múltiples etapas. Para las etapas preliminares, esto puede ser subestequiométrico, de esta manera permite controlar tanto la extensión de la exotermia como la temperatura máxima alcanzada dentro del reactor. Este control no es posible en un proceso convencional que emplea una reacción de desplazamiento del gas de agua, ya que el hidrógeno se genera dentro del gas de síntesis.
La reacción de metanación forma metano y agua. El gas que contiene metano de la etapa (4) puede recuperarse del gas enriquecido en metano por condensación del agua del gas enriquecido en metano. Esto puede ocurrir, por ejemplo, al reducir la temperatura y/o al aumentar la presión del gas enriquecido en metano.
El gas que contiene metano recuperado en la etapa (4) típicamente comprende predominantemente metano, más típicamente al menos 80 % en vol. de metano, incluso más típicamente al menos 90 % en vol. de metano. % de metano, aún más típicamente al menos 95 % en vol. de metano. El gas enriquecido en metano también puede comprender además gases distintos del metano, por ejemplo, pequeñas cantidades de nitrógeno y pequeñas cantidades de hidrógeno (por ejemplo, hidrógeno sin reaccionar de la reacción de metanación). En un ejemplo, el gas enriquecido en metano comprende aproximadamente 96 % en vol. de metano, al ser el resto nitrógeno, hidrógeno y cualquier impureza inevitable.
El gas que contiene metano recuperado en la etapa (4) puede usarse como gas natural sustituto. El gas que contiene metano puede someterse a un procesamiento adicional antes de ser usado como gas natural sustituto, por ejemplo, presurización y/o purificación.
El gas que contiene metano recuperado en la etapa (4) exhibe propiedades similares a las del gas natural y, por lo tanto, es adecuado para combinarse con gas natural en una red de gas. También puede ser adecuado para usar como combustible de transporte, por ejemplo, como sustituto del gas natural comprimido (GNC) o del gas natural licuado (GNL). El gas que contiene metano recuperado en la etapa (4) presenta preferentemente un poder calorífico bruto (GCV) de 35 a 45 MJ/m3, con mayor preferencia de 36,9 a 42,3 MJ/m3. Dichos valores de GCV son similares a los del gas natural. El gas que contiene metano tiene preferentemente un número de Wobbe de 45 a 55 MJ/m3, con mayor preferencia de 47,2 a 51,4 MJ/m3. Esto hace que el gas que contiene metano sea más adecuado para su incorporación a una red de gas.
El hidrógeno gaseoso en la etapa (2) puede transportarse y/o almacenarse en el sitio.
El hidrógeno es un gas ligero y una fuente de energía de baja densidad. Actualmente, el hidrógeno es difícil y costoso de contener y, en consecuencia, de transportar. En consecuencia, el hidrógeno gaseoso se genera preferentemente in situ y preferentemente según se requiera. El hidrógeno puede generarse, por ejemplo, a partir de la electrólisis del agua, la degradación del amoniaco y/o el reformado con vapor de una materia prima de hidrocarburo. Dichos procesos se discuten con más detalle más abajo. Al menos parte del hidrógeno gaseoso se produce por la descomposición del amoniaco y/o por el reformado con vapor de una materia prima de hidrocarburo. Las materias primas de agua, amoniaco e hidrocarburo son más fáciles de transportar y almacenar que el hidrógeno. El hidrógeno gaseoso se puede generar en un proceso continuo. Alternativamente, el hidrógeno gaseoso se puede generar en un proceso por lotes. El uso de un proceso por lotes permite que el hidrógeno se genere mediante el uso, por ejemplo, de energía de bajo costo (por ejemplo, durante períodos de exceso de oferta) y/o energía renovable que es propensa a períodos de exceso de oferta (por ejemplo, eólica, solar, mareomotriz, hidroeléctrica, etc.). Las materias primas de amoniaco e hidrocarburo pueden regenerarse. El hidrógeno gaseoso necesario para dicha regeneración puede obtenerse a partir de la electrólisis del agua. La producción de hidrógeno gaseoso requerida para la subsiguiente regeneración de la materia prima de amoniaco o hidrocarburo, así como también la propia regeneración puede llevarse a cabo en un proceso por lotes. En consecuencia, este proceso puede hacer uso ventajosamente de energía barata y/o energía renovable propensa a períodos de sobreabastecimiento, así como también evitar el requisito de almacenar hidrógeno.
El proceso es preferentemente un proceso continuo. El gas de síntesis se genera preferentemente a partir de biomasa. Preferentemente, el hidrógeno gaseoso se genera a partir de fuentes no biogénicas.
En una modalidad preferida, al menos parte del hidrógeno gaseoso se produce mediante la electrólisis del agua. El hidrógeno puede generarse bajo demanda mediante la electrólisis del agua. Esto es ventajoso ya que el agua es mucho más fácil de almacenar que el hidrógeno
En una modalidad de acuerdo con la invención, al menos parte del hidrógeno gaseoso se produce mediante la descomposición del amoniaco. El hidrógeno se puede generar a demanda por la descomposición del amoniaco. Esto es ventajoso ya que el amoniaco (típicamente amoniaco líquido) es mucho más fácil de almacenar que el hidrógeno gaseoso. La producción de hidrógeno a través de la descomposición del amoniaco puede ocurrir de varias formas incluidas, por ejemplo, descomposición térmica y/o craqueo catalítico. Los catalizadores adecuados para el uso en el craqueo catalítico incluyen, por ejemplo, aquellos involucrados en celdas de combustible, por ejemplo, M/AI2O3 , NiCeO2/A^O3, Cr2O3 , Ru/ZrO2, y Ru sobre nanofibras de carbono. Para estos catalizadores, típicamente se requiere una temperatura mínima de 300 °C para la liberación eficiente de amoniaco para la producción de hidrógeno. La electrólisis o electrooxidación es otro método para extraer hidrógeno del amoniaco. Tiene la ventaja de la escalabilidad y la versatilidad para interactuar con fuentes de energía renovables, incluidas aquellas cuya producción de electricidad varía con el tiempo. El consumo teórico de energía termodinámica es de 1,55 Wh/g de H2de electrólisis de NH3en comparación con 33 Wh/g de H2 de H2O. Esto significa que, teóricamente, la electrólisis del amoniaco consume un 95 % menos de energía para producir una cantidad de hidrógeno que la electrólisis del agua. Sin embargo, esto no tiene en cuenta la cinética de la reacción. Preferentemente, la mayor parte del hidrógeno gaseoso se produce mediante la descomposición del amoniaco, con mayor preferencia, sustancialmente todo el hidrógeno gaseoso se produce mediante la descomposición del amoniaco.
El amoniaco se genera y/o regenera preferentemente mediante el uso del proceso de Haber-Bosch y/o la síntesis de amoniaco en estado sólido. El proceso de Haber-Bosch es bien conocido en la técnica y típicamente implica combinar gases de hidrógeno y nitrógeno sobre catalizadores a base de hierro a aproximadamente 500 °C y bajo 200 a 300 atmósferas de presión para producir amoniaco. Típicamente, solo una fracción del gas se convierte en amoniaco en un solo paso a través del convertidor debido al equilibrio termodinámico de la reacción. El gas sin reaccionar restante típicamente pasa de nuevo a través del convertidor, al formar un circuito de flujo para el gas sin reaccionar. En una configuración típica, los enfriadores de refrigeración disminuyen la temperatura del gas de -10 °C a -25 °C para que el amoniaco se condense fuera de la mezcla, al dejar así el gas sin reaccionar. En este enfoque para la producción de amoniaco no hay CO2es producido, proporcionó la electricidad para alimentar la electrólisis, y más tarde la reacción de Haber-Bosch, es derivado de una fuente de electricidad no contaminante (tal como la energía hidroeléctrica). La síntesis de amoniaco en estado sólido, o “SSAS”, usa un proceso electroquímico de estado sólido para producir amoniaco a partir de nitrógeno, agua y electricidad (ver, por ejemplo, Ganley J, Holbrook J & McKinley D. Solid state ammonia synthesis. Octubre, 2007. Presentado en la conferencia Ammonia-Sustainable Emission-Free Fuel, San Francisco, CA. 15-16 de octubre de 2007, cuya descripción se incorpora en la presente como referencia). El proceso implica que el agua se descompone en oxígeno e hidrógeno y el hidrógeno reacciona con el nitrógeno para formar amoniaco. La tecnología SSAS es ideal para las fuentes de energía renovable que producen electricidad, tal como la eólica y la solar fotovoltaica, ya que los electrolizadores para la producción de hidrógeno y el synloop de Haber-Bosch se eliminan con el sistema SSAS, lo que genera varios beneficios energéticos y económicos.
Preferentemente, el amoniaco se genera mediante el uso del proceso Haber-Bosch, y el hidrógeno para el uso en el proceso Haber-Bosch se genera mediante la electrólisis del agua. El hidrógeno puede generarse bajo demanda a través de la electrólisis del agua, que es más fácil de almacenar que el hidrógeno. El hidrógeno puede generarse cuando el costo de la electricidad es barato (por ejemplo, durante períodos de exceso de oferta). Además, el hidrógeno puede generarse mediante el uso de energía de fuentes renovables tal como, por ejemplo, presas eólicas, solares, mareomotrices e hidroeléctricas. Dichas fuentes renovables proporcionan rendimientos variados en dependencia de las condiciones predominantes y de esta manera son propensas a períodos de exceso de oferta. Sin embargo, dado que el amoniaco típicamente es fácil de almacenar, la generación de hidrógeno y la subsiguiente conversión en amoniaco pueden llevarse a cabo únicamente durante dichos períodos de sobreabastecimiento. Esto puede reducir el costo y/o la huella de carbono del proceso. En otras palabras, mientras que la producción de SNG puede ser un proceso continuo, la generación de hidrógeno y su posterior conversión a amoniaco puede ser un proceso por lotes restringido a períodos en los que la electricidad es barata y/o proviene de una fuente renovable. Esta es una ventaja particularmente significativa de la presente invención.
El oxígeno generado por la electrólisis del agua puede reaccionar con una materia prima para producir gas de síntesis para la etapa (1). Los métodos típicos de producción de gas de síntesis, como, por ejemplo, los métodos de gasificación y/o plasma de gas, a menudo requieren una fuente de oxígeno de alta pureza. El oxígeno generado por electrólisis es muy puro, de esta manera evita la necesidad de incurrir en el coste de adquirir una fuente de oxígeno muy puro.
El nitrógeno para el uso en el proceso Haber-Bosch puede obtenerse mediante el uso de una unidad de separación de aire. El oxígeno separado en la unidad de separación de aire también puede reaccionar con un combustible para producir gas de síntesis para la etapa (1).
Al menos algo del hidrógeno gaseoso puede obtenerse de una corriente rica en hidrógeno huérfano. Esto puede proporcionar un mecanismo de limpieza útil para dichos flujos. Al menos algo del hidrógeno gaseoso puede obtenerse de la pirólisis de, por ejemplo, coque. Al menos algo del hidrógeno gaseoso se puede obtener por pirólisis, por ejemplo, en un método para fabricar negro de humo. Preferentemente, al menos algo del hidrógeno gaseoso se obtiene a partir de pirólisis o craqueo de hidrocarburos, con mayor preferencia en donde la pirólisis y/o craqueo de hidrocarburos es parte de un método para fabricar negro de humo.
En una modalidad alternativa de acuerdo con la invención, al menos parte del hidrógeno gaseoso se produce mediante reformado con vapor de una materia prima de hidrocarburo. Las materias primas de hidrocarburos para el uso en la presente invención pueden ser sólidas (por ejemplo, carbón, coque, biomasa), líquidas (por ejemplo, alcanos superiores, naftas) o gaseosas (por ejemplo, alcanos inferiores). El hidrógeno puede generarse bajo demanda a partir de una materia prima de hidrocarburo, que es más fácil de almacenar que el hidrógeno. La materia prima de hidrocarburo es preferentemente metano. El metano es barato, fácilmente disponible y fácil de almacenar. Además, el metano ya forma parte de la infraestructura existente: llevar metano a la planta y sacar SNG de ella. Preferentemente, la mayor parte del hidrógeno gaseoso se produce mediante reformado con vapor de una materia prima de hidrocarburo, con mayor preferencia, sustancialmente todo el hidrógeno gaseoso se produce mediante reformado con vapor de una materia prima de hidrocarburo.
El reformado con vapor, tal como el reformado con vapor de metano (SMR), es altamente endotérmico y típicamente se lleva a cabo a temperaturas de 700 a 1000 °C mediante el uso de catalizadores adecuados conocidos en la técnica (por ejemplo, catalizadores a base de níquel). La reacción puede llevarse a cabo de forma alotérmica (energía aportada por una fuente externa) o autotérmica (energía producida internamente por la combustión de una fracción de metano). En el último caso, también se requiere un suministro de oxígeno puro para quemar parcialmente el gas y producir agua para la reacción de reformado con vapor. Este oxígeno se puede producir dentro del proceso a partir de la electrólisis del agua.
Preferentemente, al menos algo del hidrógeno gaseoso se produce mediante una reacción de desplazamiento de gas de agua (preferentemente una reacción de desplazamiento de gas de agua a baja temperatura), y la reacción de desplazamiento de gas de agua se lleva a cabo sobre el monóxido de carbono producido mediante el reformado con vapor. En combinación con el reformado con vapor, por cada molécula de carbono derivada de la materia prima de hidrocarburo, se generan cuatro moléculas de hidrógeno. En consecuencia, esta es una forma muy eficiente y de bajo costo de generar hidrógeno. La reacción de desplazamiento del gas de agua se lleva a cabo típicamente a una temperatura de 150 a 250 °C (un desplazamiento del gas de agua de "baja temperatura"). La reacción de cambio agua-gas a baja temperatura se lleva a cabo típicamente en presencia de un catalizador, típicamente un catalizador de metal de transición tal como, por ejemplo, CuO o CuO-ZnO.
El hidrógeno gaseoso y el dióxido de carbono gaseoso producidos por la reacción de desplazamiento del gas de agua pueden separarse, por ejemplo, al usar la absorción por cambio de presión (PSA). El dióxido de carbono puede enviarse para captura y almacenamiento de carbono (CCS) o, alternativamente, puede almacenarse para su uso posterior en una reacción de Sabatier.
El dióxido de carbono producido en la reacción de desplazamiento de gas de agua a baja temperatura se somete preferentemente a una reacción de Sabatier para producir metano y agua. Los catalizadores para el uso en la reacción de Sabatier incluyen, por ejemplo, níquel (ver, por ejemplo, S Fujita, H Terunuma, M Nakamura, N Takezawa. Mechanisms of methanation of carbón monoxide and carbón dioxide over nickel. Ind. Chem. Res., 1991, 30 (6), pp 1146-1151, cuya descripción se incorpora en la presente por referencia) y rutenio (ver, por ejemplo, L Kiewidt, J Thoming, Predicting optimal temperature profiles in single-stage fixed-bed reactors for CO2-methanation, Chemical Engineering Science, Volumen 132, 18 de agosto de 2015, páginas 59-71, cuya descripción se incorpora en la presente como referencia), tal como rutenio soportado en alúmina. Si bien el costo de los catalizadores de rutenio es mucho más alto, dichos catalizadores pueden operar a temperaturas más bajas y con mayores rendimientos que los catalizadores de níquel. La reacción de Sabatier típicamente se lleva a cabo a temperaturas elevadas (preferentemente de 300 a 400 °C) y presiones elevadas.
Al menos algo del metano producido por la reacción de Sabatier se recicla preferentemente para ser usado como materia prima de hidrocarburo en la etapa de reformado con vapor. Preferentemente, al menos parte del agua producida por la reacción de Sabatier se recicla para usarlo en la etapa de reformado con vapor.
En una modalidad preferida:
al menos parte del hidrógeno gaseoso se produce mediante el reformado con vapor de una materia prima de hidrocarburo, al ser la materia prima de hidrocarburo metano,
al menos parte del hidrógeno gaseoso se produce mediante una reacción de desplazamiento de gas de agua, la reacción de desplazamiento de gas de agua se lleva a cabo con el monóxido de carbono producido mediante el reformado con vapor,
el dióxido de carbono producido en la reacción de desplazamiento de gas de agua se somete a una reacción de Sabatier para producir metano y agua, y
al menos parte del metano producido por la reacción de Sabatier se recicla para usarlo como la materia prima de hidrocarburo en la etapa de reformado de metano con vapor.
Así como también las ventajas descritas anteriormente para estas características, la modalidad preferida también puede maximizar el rendimiento continuo.
En otra modalidad preferida:
al menos parte del hidrógeno gaseoso se produce mediante el reformado con vapor de una materia prima de hidrocarburo,
al menos parte del hidrógeno gaseoso se produce mediante una reacción de desplazamiento de gas de agua, la reacción de desplazamiento de gas de agua sobre monóxido de carbono producido mediante el reformado de vapor, el dióxido de carbono producido en la reacción de desplazamiento de gas de agua se somete a una reacción para producir hidrocarburo y agua, y
al menos una parte del hidrocarburo producido por la reacción se recicla para usarlo como materia prima de hidrocarburo en la etapa de reformado de vapor.
El hidrocarburo puede comprender, por ejemplo, metano, etano, propano y/o butano. El hidrocarburo puede ser un gas o un líquido o un sólido. Así como también las ventajas descritas anteriormente para estas características, la modalidad preferida también puede maximizar el rendimiento continuo.
En una modalidad preferida:
al menos parte del gas hidrógeno proporcionado en la etapa (2) se produce mediante reformado con vapor de una materia prima de hidrocarburo, al ser la materia prima de hidrocarburo metano,
al menos parte del gas hidrógeno proporcionado en la etapa (2) se produce mediante una reacción de desplazamiento de gas de agua, la reacción de desplazamiento de gas de agua se lleva a cabo con el monóxido de carbono producido mediante el reformado con vapor,
el dióxido de carbono producido en la reacción de desplazamiento de gas de agua se somete a una reacción de Sabatier para producir metano y agua, y
al menos algunos del metano producido por la reacción de Sabatier se recicla para usarlo como materia prima de hidrocarburo en la etapa de reformado de metano con vapor.
Así como también las ventajas descritas anteriormente para estas características, la modalidad preferida también puede maximizar el rendimiento continuo.
El hidrógeno para el uso en la reacción de Sabatier se produce preferentemente a través de la electrólisis del agua. El hidrógeno puede generarse bajo demanda a través de la electrólisis del agua, que es más fácil de almacenar que el hidrógeno. El hidrógeno puede generarse cuando el costo de la electricidad es barato (por ejemplo, durante períodos de exceso de oferta). Además, el hidrógeno puede generarse mediante el uso de energía de fuentes renovables tal como, por ejemplo, presas eólicas, solares, mareomotrices e hidroeléctricas. Dichas fuentes renovables proporcionan rendimientos variados en dependencia de las condiciones predominantes y de esta manera son propensas a períodos de exceso de oferta. Sin embargo, dado que el agua para electrólisis y el metano producido por la reacción de Sabatier típicamente son fáciles de almacenar, la generación de hidrógeno y la posterior reacción de Sabatier pueden llevarse a cabo únicamente durante dichos períodos de sobreabastecimiento. Esto puede reducir el costo y/o la huella de carbono del proceso. En otras palabras, mientras que la producción de SNG puede ser un proceso continuo, la generación de hidrógeno y la posterior reacción de Sabatier pueden ser un proceso por lotes restringido a períodos en los que la electricidad es barata y/o proviene de una fuente renovable. Esta es una ventaja particularmente significativa de la presente invención. En este aspecto, se puede considerar que la entrada de metano no actúa como combustible, sino como portador de energía.
En otra modalidad preferida:
al menos parte del hidrógeno gaseoso se produce mediante el reformado con vapor de una materia prima de hidrocarburo, al ser la materia prima de hidrocarburo metano,
al menos parte del hidrógeno gaseoso se produce mediante una reacción de desplazamiento de gas de agua, la reacción de desplazamiento de gas de agua se lleva a cabo sobre el monóxido de carbono producido mediante el reformado con vapor,
el dióxido de carbono producido en la reacción de desplazamiento de gas de agua se somete a una reacción de Sabatier para producir metano y agua,
al menos parte del metano producido por la reacción de Sabatier se recicla para usarlo como la materia prima de hidrocarburo en la etapa de reformado de metano con vapor, y
el hidrógeno para el uso en la reacción de Sabatier se produce a través de la electrólisis del agua.
Así como también las ventajas descritas anteriormente para estas características, la modalidad preferida también puede maximizar el rendimiento continuo.
El oxígeno producido a través de la electrólisis del agua puede:
reaccionar con una materia prima para producir gas de síntesis para la etapa (1); y/o
usado en la etapa de reformado con vapor.
Los métodos típicos de producción de gas de síntesis, como, por ejemplo, los métodos de gasificación y/o plasma de gas, a menudo requieren una fuente de oxígeno de alta pureza. El oxígeno generado por electrólisis es muy puro, de esta manera evita la necesidad de incurrir en el coste de adquirir una fuente de oxígeno muy puro. El uso del oxígeno en la reformación con vapor puede permitir la producción autotérmica de hidrógeno.
En una modalidad preferida, la etapa (3) comprende someter el gas enriquecido en metano a una reacción de Sabatier para convertir en metano al menos una porción de cualquier dióxido de carbono contenido. Típicamente, la mayoría de cualquier dióxido de carbono se convierte en metano, más típicamente, sustancialmente todo el dióxido de carbono se convierte en metano. Esto puede dar como resultado la conversión sustancialmente completa del carbono del gas de síntesis en metano. En consecuencia, por el contrario, con el proceso de producción de SNG de la técnica anterior, se puede aumentar la eficiencia del proceso. Las condiciones de reacción y los catalizadores adecuados para la reacción de Sabatier se dan anteriormente.
El proceso se opera preferentemente a una presión de al menos 5 bar, preferentemente de 10 a 20 bar. Las reacciones químicas llevadas a cabo durante el proceso pueden exhibir una mayor velocidad y/o rendimiento a tales presiones. Además, se facilita la compresión del gas que contiene metano recuperado final, de esta manera simplifica el proceso y/o reduce el coste.
El calor generado por reacciones exotérmicas en el proceso se recupera preferentemente al usar un intercambiador de calor, y el calor recuperado se usa para precalentar el gas de síntesis antes de la etapa (2) y/o precalentar el gas de síntesis enriquecido con hidrógeno antes de la etapa (3). Esto puede reducir el costo de energía del proceso. Las reacciones exotérmicas incluyen, por ejemplo, la reacción de desplazamiento del gas de agua, la reacción de metanación y la reacción de Sabatier.
El gas de síntesis enriquecido con hidrógeno tiene preferentemente una relación de monóxido de carbono a dióxido de carbono de 3 o más, preferentemente 5 o más, con mayor preferencia 10 o más. La metanación del monóxido de carbono requiere una relación de hidrógeno a monóxido de carbono de 3:1, mientras que la reacción de Sabatier requiere una relación de hidrógeno a dióxido de carbono de 4:1. En consecuencia, el aumento de la relación de monóxido de carbono a dióxido de carbono en el gas de síntesis reduce la cantidad de hidrógeno requerida para la terminación del proceso, al aumentar de esta manera la eficiencia del proceso. Después de la metanación y, opcionalmente, la reacción de Sabatier, la conversión en metano puede ser sustancialmente completa.
El gas de síntesis se puede producir, por ejemplo, mediante gasificación y/o tratamiento con plasma y/o pirólisis y/o combustión y/o conversión térmica de una materia prima. La materia prima puede ser un material de desecho y/o comprender biomasa. El método de producción de gas de síntesis controla preferentemente la formación de alquitranes y/o especies de organosulfuro, de modo que el gas de síntesis sea de calidad suficiente para someterse a metanación aguas abajo sin envenenamiento del catalizador. Se conocen en la técnica métodos adecuados para controlar la formación de alquitranes y especies de organosulfuros (véase, por ejemplo, M Materazzi, P Lettieri, L Mazzei, R Taylor, C Chapman, Tar evolution in a two stage fluid bed-plasma gasification process for waste valorization, Fuel Processing Technology, volumen 128, diciembre de 2014, páginas 146-157 y M Materazzi, P Lettieri, L Mazzei, R Taylor, C Chapman, Reforming of tars and organic sulphur compounds in a plasma-assisted process for waste gasification, Fuel Processing Technology, Volumen 137, Septiembre de 2015, páginas 259-268, cuyas descripciones se incorporan en la presente como referencia).
Preferentemente, el gas de síntesis se produce de acuerdo con el proceso de EP1896774.
Preferentemente, el gas de síntesis se produce en un proceso de tratamiento de desechos que comprende:
(i) una etapa de gasificación que comprende el tratamiento de los desechos en una unidad de gasificación en presencia de oxígeno y vapor para producir un gas de escape y un material carbonizado sólido no transportado por el aire; y
(ii) una etapa de tratamiento con plasma que comprende someter el gas de escape y el material carbonizado sólido no transportado por el aire a un tratamiento con plasma en una unidad de tratamiento con plasma en presencia de oxígeno y, opcionalmente, vapor, en donde la unidad de tratamiento con plasma está separada de la unidad de gasificación.
Preferentemente, puede usarse oxígeno de alta pureza, derivado de una unidad de separación criogénica de aire (ASU), en lugar de una ASU de adsorción por oscilación de presión, ya que contendrá niveles bajos de nitrógeno y, por lo tanto, producirá un gas de síntesis con niveles correspondientemente reducidos de nitrógeno que reducirá o incluso evitará el requisito de separación de nitrógeno en la etapa de refinación SNG. Como se discutió anteriormente, el oxígeno de alta pureza puede generarse a partir de la etapa de electrólisis.
Preferentemente, el gas de síntesis se produce mediante un método que comprende:
(i) tratar térmicamente una materia prima para producir un gas de síntesis; y
(ii) tratamiento con plasma del gas de síntesis en una unidad de tratamiento con plasma en presencia de dióxido de carbono adicional para producir un gas de síntesis refinado,
en donde el dióxido de carbono adicional se añade a la materia prima durante el tratamiento térmico y/o al gas de síntesis antes del tratamiento con plasma y/o se introduce en la unidad de tratamiento con plasma. La presencia de dióxido de carbono ayuda a mantener los sellos en la unidad de tratamiento térmico y la unidad de tratamiento con plasma, al reducir de esta manera la adición de oxígeno o aire al sistema, lo que puede interrumpir las reacciones que ocurren en las unidades de tratamiento. También evita la introducción de diluyentes inertes, tal como el nitrógeno, que pueden disminuir el poder calorífico del gas de síntesis. El dióxido de carbono también puede actuar como oxidante durante la gasificación. El dióxido de carbono añadido a la materia prima puede proceder del gas de escape rico en dióxido de carbono recuperado del gas que contiene metano. En otras palabras, el gas de escape rico en dióxido de carbono puede reciclarse de nuevo en unidades de tratamiento térmico y/o de tratamiento con plasma.
El proceso puede comprender además quemar el gas natural sustituto como combustible, opcionalmente en combinación con al menos una porción de gas natural.
En la presente descripción se describe un proceso para producir un combustible de hidrocarburo gaseoso o líquido no de acuerdo con la invención, el proceso comprende las etapas de:
(1) proporcionar un gas de síntesis que comprende hidrógeno y monóxido de carbono;
(2) formar un gas de síntesis enriquecido con hidrógeno;
(3) someter el gas de síntesis enriquecido en hidrógeno a una reacción de alcanización para convertir al menos una porción del gas en alcano al formar de esta manera una corriente enriquecida en alcano; y
(4) recuperar de la corriente enriquecida con alcano una corriente que contiene alcano, en donde la etapa (2) comprende proporcionar un gas hidrógeno y combinar el gas hidrógeno con el gas de síntesis.
La corriente que contiene alcano puede usarse directamente como combustible de hidrocarburo líquido o gaseoso. La corriente que contiene alcano puede sufrir un procesamiento adicional, por ejemplo, presurización y/o purificación, antes de ser usada como combustible gaseoso o líquido. El alcano puede incluir uno o más de C1, C2, C3, C4, C5 y C6. También se pueden producir alcanos superiores. El combustible de hidrocarburo líquido o gaseoso puede ser un gas natural sustituto. La reacción de alcanización puede ser una reacción de metanación. Las características preferibles y opcionales del primer aspecto se aplican igualmente a este aspecto.
En la presente descripción se describe un proceso para producir un gas natural sustituto que no está de acuerdo con la invención, el proceso comprende las etapas de:
(1) proporcionar un gas de síntesis que comprende hidrógeno, monóxido de carbono y, opcionalmente, dióxido de carbono;
(2) formar un gas de síntesis enriquecido con hidrógeno;
(3) someter el gas de síntesis enriquecido en hidrógeno a una reacción de metanación para convertir al menos una porción del gas en metano para formar de esta manera un gas enriquecido en metano; y
(4) recuperar del gas enriquecido en metano un gas que contiene metano, en donde la etapa (2) se lleva a cabo sin aumentar el contenido de dióxido de carbono del gas de síntesis.
Las características preferibles y opcionales del primer aspecto se aplican igualmente a esta descripción.
En la presente descripción se describe un proceso para producir un gas natural sustituto que no está de acuerdo con la invención, el proceso comprende las etapas de:
(1) proporcionar un gas de síntesis que comprende hidrógeno y monóxido de carbono;
(2) formar un gas de síntesis enriquecido con hidrógeno;
(3) someter el gas de síntesis enriquecido en hidrógeno a una reacción de metanación para convertir al menos una porción del gas en metano para formar de esta manera un gas enriquecido en metano; y
(4) recuperar del gas enriquecido en metano un gas que contiene metano, en donde la etapa (2) se lleva a cabo sin reacción del monóxido de carbono en el gas de síntesis.
Las características preferibles y opcionales del primer aspecto se aplican igualmente a esta descripción.
En la presente descripción se describe un proceso para producir un gas natural sustituto que no está de acuerdo con la invención, el proceso comprende las etapas de:
(1) proporcionar un gas de síntesis que comprende hidrógeno y monóxido de carbono;
(2) formar un gas de síntesis enriquecido con hidrógeno;
(3) someter el gas de síntesis enriquecido en hidrógeno a una reacción de metanación para convertir al menos una porción del gas en metano para formar de esta manera un gas enriquecido en metano; y
(4) recuperar del gas enriquecido en metano un gas que contiene metano, en donde durante la etapa (2) no se lleva a cabo una reacción de cambio de agua a gas en el gas de síntesis.
Las características preferibles y opcionales del primer aspecto se aplican igualmente a esta descripción.
En la presente descripción se describe un proceso para producir un gas natural sustituto que no está de acuerdo con la invención, el proceso comprende las etapas de:
(1) proporcionar un gas de síntesis que comprende hidrógeno y monóxido de carbono;
(2) formar un gas de síntesis enriquecido con hidrógeno;
(3) someter el gas de síntesis enriquecido en hidrógeno a una reacción de metanación para convertir al menos una porción del gas en metano para formar de esta manera un gas enriquecido en metano; y
(4) recuperar del gas enriquecido en metano un gas que contiene metano, en donde: la etapa (2) comprende proporcionar hidrógeno gaseoso y combinar el hidrógeno gaseoso con el gas de síntesis, al menos parte del hidrógeno gaseoso se produce mediante reformado con vapor de una materia prima de hidrocarburo, la materia prima de hidrocarburo es el metano, al menos parte del hidrógeno gaseoso se produce mediante una reacción de desplazamiento de gas de agua, la reacción de desplazamiento de gas de agua se lleva a cabo con el monóxido de carbono producido mediante el reformado con vapor, el dióxido de carbono producido en la reacción de desplazamiento de gas de agua es sometido a una reacción de Sabatier para producir metano y agua, y al menos parte del metano producido por la reacción de Sabatier se recicla para usarlo como materia prima de hidrocarburo en la etapa de reformado de metano con vapor.
Las características preferibles y opcionales del primer aspecto se aplican igualmente a esta modalidad.
La invención se describirá ahora en relación con las siguientes figuras no limitativas, en las que:
La figura 1 es un diagrama de flujo de un proceso de producción de SNG convencional.
La figura 2 es un diagrama de flujo de un proceso no de acuerdo con la presente invención.
La figura 3 es un diagrama de flujo de un proceso de acuerdo con la presente invención.
La figura 4 es un diagrama de flujo de un proceso de acuerdo con la presente invención.
La figura 5 es un diagrama de flujo de un proceso de acuerdo con la presente invención.
Con referencia a la figura 1 (un proceso de producción de SNG convencional), en la etapa de gasificación, una alimentación sólida carbonácea se convierte en un gas de síntesis mediante el uso de oxígeno y vapor como medio de gasificación. El tipo de gasificador (por ejemplo, lecho fluido, flujo arrastrado, corriente ascendente, plasma) y la naturaleza de la alimentación y la alimentación a los niveles de oxidante empleado afectarán la calidad del gas de síntesis producido. En general, las materias primas friables y de alta densidad energética como el carbón se pueden pulverizar y alimentar a un gasificador de flujo arrastrado que se puede operar a altas temperaturas (es decir, >1200 °C) para producir un gas de síntesis con bajos niveles de alquitrán e hidrocarburos gaseosos. Por el contrario, las materias primas que contienen biomasa tienen valores caloríficos más bajos y frecuentemente contienen componentes inorgánicos en la ceniza (es decir, sosa y potasa) que son propensos a formar fases eutécticas de bajo punto de fusión. Los materiales de desecho en particular son de naturaleza heterogénea y no susceptibles de ser pulverizados. Para estos tipos de materias primas, los gasificadores de lecho fluido se emplean con frecuencia debido a su capacidad para manejar materiales relativamente gruesos y químicamente heterogéneos. Estos reactores deben funcionar a temperaturas más bajas para evitar la sinterización de la arena que provoca la desfluidización del lecho y, en consecuencia, produce un gas de síntesis que contiene altos niveles de alquitrán condensable y especies de hidrocarburos gaseosos que pueden ser problemáticas en las etapas posteriores del proceso catalítico de cambio de gas a agua y de metanación.
La limpieza del gas de síntesis se realiza en una serie de etapas para eliminar las diversas especies contaminantes que, de cualquier otra manera, envenenarían los procesos catalíticos aguas abajo. Los contaminantes que deben eliminarse variarán en dependencia de la composición química de la materia prima y las condiciones de funcionamiento dentro del gasificador, pero incluirán especies de azufre y cloruro, alquitranes e hidrocarburos insaturados, metales pesados y partículas.
La reacción de desplazamiento del gas de agua a alta temperatura es una reacción catalítica exotérmica en la que el CO reacciona con vapor para producir hidrógeno CO2.
Figure imgf000011_0001
El propósito es aumentar la relación de hidrógeno a CO para dar las concentraciones moleculares de hidrógeno necesarias en la etapa de metanación.
El pulido de gas de síntesis se lleva a cabo para reducir las impurezas de azufre y cloro más abajo de 20 ppb, al minimizar de esta manera la velocidad de envenenamiento de los catalizadores usados en la reacción de metanación. El pulido de gas de síntesis puede incluir, por ejemplo, un lecho protector (por ejemplo, un lecho protector de ZnO).
La reacción de metanación del CO es altamente exotérmica y el CO reacciona con el H2 para formar CH4 y agua de acuerdo con:
Figure imgf000011_0002
Adicionalmente, la metanación es posible a través de la reacción de hidrógeno y CO2, la reacción de Sabatier, especialmente a alto CO2 y bajas concentraciones de CO:
Figure imgf000011_0003
Hay una serie de diferentes configuraciones de diseño de reactores y materiales de catalizador que se pueden aplicar, en dependencia de la química del proceso específico y la clasificación térmica de la instalación.
En la etapa de separación de gases, el metano se mejora mediante el uso de técnicas de absorción de líquidos físicas o químicas o adsorción por oscilación de presión (PSA). Las tecnologías de absorción de líquidos pueden usarse para la eliminación de CO2 de la corriente del producto. El PSA adicionalmente puede ser usado para separar el nitrógeno y otras impurezas del gas. En muchas aplicaciones de SNG de carbón, la separación de CO2 se realiza antes de la etapa de metanación. Etapas adicionales incluidas, por ejemplo, metanación de CO2 residual por la reacción de Sabatier puede ser necesario para garantizar que el gas sea de calidad suficiente para su inyección en la red de distribución.
La figura 2 muestra un esquema de un proceso de acuerdo con una modalidad no de acuerdo con la presente invención. Por el contrario, con el proceso que se muestra en la figura 1, no se lleva a cabo ninguna reacción de desplazamiento del gas de agua. En cambio, la relación de hidrógeno a monóxido de carbono aumenta al generar gas de hidrógeno externamente y luego al agregar el gas de hidrógeno al gas de síntesis. El gas hidrógeno se genera por la electrólisis del agua, que se ha conseguido mediante el uso de electricidad procedente de fuentes renovables. Tras la metanación del CO, se lleva a cabo una reacción de Sabatier para convertir el dióxido de carbono contenido en el gas de síntesis en metano y agua. En consecuencia, sustancialmente todo el contenido de carbono (monóxido de carbono y dióxido de carbono) del gas de síntesis se convierte en metano. El agua generada por la reacción de Sabatier se usa para la generación de hidrógeno mediante electrólisis. El oxígeno generado por la electrólisis se usa en la etapa de gasificación.
La figura 3 muestra un proceso similar al que se muestra en la figura 2. Sin embargo, en este caso, el hidrógeno para el uso en la etapa de metanación de CO se genera mediante la reformación y/o electrólisis de amoniaco de acuerdo con la presente invención. El amoniaco se genera in situ mediante el uso del proceso Haber-Bosch. El hidrógeno para el proceso Haber-Bosch se genera la electrólisis del agua mediante el uso de fuentes renovables de electricidad. El nitrógeno se obtiene al usar una unidad de separación de aire.
La figura 4 muestra un proceso similar al que se muestra en las figuras 2 y 3. Sin embargo, en este caso, el hidrógeno para el uso en la etapa de metanación de CO se genera a partir de hidrocarburos fósiles, posiblemente metano. El metano se somete a una etapa de reformado con vapor de acuerdo con la presente invención para producir hidrógeno y monóxido de carbono. El monóxido de carbono se somete a un cambio agua-gas a baja temperatura para generar dióxido de carbono y más hidrógeno. El hidrógeno y el carbono se separan, por ejemplo, al usar la absorción por cambio de presión (PSA). El hidrógeno se envía a la etapa de metanación de CO, mientras que el dióxido de carbono se envía para la captura y almacenamiento de carbono (CCS).
La figura 5 muestra un proceso similar al que se muestra en la Figura 4. En este caso, el dióxido de carbono separado del hidrógeno se somete a una reacción de Sabatier para producir metano. El metano se recicla para el uso en la etapa de reformado con vapor. El hidrógeno usado en esta reacción de Sabatier se genera a partir de la electrólisis del agua.
La descripción detallada anterior se ha proporcionado a modo de ilustración y explicación, y no pretende limitar el alcance de las reivindicaciones anexas. Muchas variantes de las modalidades preferidas ilustradas en la presente descripción serán evidentes para un experto en la técnica y permanecerán dentro del alcance de las reivindicaciones anexas.

Claims (15)

REIVINDICACIONES
1. Un proceso para producir un gas natural sustituto, el proceso comprende las etapas de:
(1) proporcionar un gas de síntesis que comprende hidrógeno y monóxido de carbono;
(2) formar un gas de síntesis enriquecido con hidrógeno;
(3) someter el gas de síntesis enriquecido en hidrógeno a una reacción de metanación para convertir al menos una porción del gas en metano para formar de esta manera un gas enriquecido en metano; y (4) recuperar del gas enriquecido en metano un gas que contiene metano, en donde la etapa (2) comprende proporcionar un gas hidrógeno y combinar el gas hidrógeno con el gas de síntesis, en donde:
(i) al menos parte del hidrógeno gaseoso se produce por la descomposición del amoniaco y/o
(ii) al menos parte del hidrógeno gaseoso se produce por reformado con vapor de una materia prima de hidrocarburo.
2. El proceso de acuerdo con la reivindicación 1, en donde al menos parte del hidrógeno gaseoso se produce a través de la electrólisis del agua.
3. El proceso de acuerdo con la reivindicación 1 o la reivindicación 2, en donde al menos parte del hidrógeno gaseoso se produce mediante la descomposición del amoniaco generado mediante el uso del proceso de Haber-Bosch y/o la síntesis de amoniaco en estado sólido.
4. El proceso de cualquier reivindicación anterior, en donde al menos parte del hidrógeno gaseoso se obtiene a partir de la pirólisis y/o el craqueo de hidrocarburos, preferentemente en donde la pirólisis y/o el craqueo de hidrocarburos es parte de un método para fabricar negro de humo.
5. El proceso de cualquier reivindicación anterior, en donde al menos parte del hidrógeno gaseoso se produce mediante reformado con vapor de una materia prima de hidrocarburo que es metano.
6. El proceso de cualquier reivindicación anterior, en donde al menos parte del hidrógeno gaseoso se produce mediante reformado con vapor de una materia prima de hidrocarburo y al menos parte del hidrógeno gaseoso se produce mediante una reacción de desplazamiento de gas de agua, y en donde la reacción de desplazamiento de gas de agua se lleva a cabo con el monóxido de carbono producido mediante el reformado con vapor.
7. El proceso de acuerdo con la reivindicación 6, en donde el dióxido de carbono producido en la reacción de desplazamiento de gas de agua se somete a una reacción de Sabatier para producir metano y agua, preferentemente en donde al menos parte del metano producido por la reacción de Sabatier se recicla para usarlo como materia prima de hidrocarburo en la etapa de reformado de metano con vapor.
8. El proceso de acuerdo con la reivindicación 7, en donde el hidrógeno para el uso en la reacción de Sabatier se produce a través de la electrólisis del agua y, preferentemente, el oxígeno producido a través de la electrólisis del agua:
se hace reaccionar con una materia prima para producir gas de síntesis para la etapa (1); y/o
se usa en la etapa de reformado con vapor.
9. El proceso de cualquier reivindicación anterior, en donde la etapa (3) comprende someter el gas enriquecido en metano a una reacción de Sabatier para convertir en metano al menos una porción de cualquier dióxido de carbono contenido.
10. El proceso de cualquier reivindicación anterior, en donde el calor generado por reacciones exotérmicas en el proceso se recupera al usar un intercambiador de calor, el calor recuperado se usa para precalentar el gas de síntesis antes de la etapa (2) y/o precalentar el gas de síntesis enriquecido en hidrógeno antes de la etapa (3).
11. El proceso de cualquier reivindicación anterior, en donde el gas de síntesis enriquecido en hidrógeno tiene una relación de monóxido de carbono a dióxido de carbono de 3 o más, preferentemente 5 o más, con mayor preferencia 10 o más.
12. El proceso de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el gas de síntesis se produce mediante la gasificación y/o el tratamiento con plasma y/o la pirólisis y/o la combustión y/o la conversión térmica de una materia prima, preferentemente en donde la materia prima es un material de desecho y/o comprende biomasa.
13. El proceso de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el gas de síntesis se produce en un proceso de tratamiento de desechos que comprende:
(i) una etapa de gasificación que comprende el tratamiento de los desechos en una unidad de gasificación en presencia de oxígeno y vapor para producir un gas de escape y un material carbonizado sólido no transportado por el aire; y
(ii) una etapa de tratamiento con plasma que comprende someter el gas de escape y el material carbonizado sólido no transportado por el aire a un tratamiento con plasma en una unidad de tratamiento con plasma en presencia de oxígeno y, opcionalmente, vapor, en donde la unidad de tratamiento con plasma está separada de la unidad de gasificación.
14. El proceso de acuerdo con cualquier reivindicación anterior, en donde el gas de síntesis se produce al:
(i) tratar térmicamente una materia prima para producir un gas de síntesis; y
(ii) tratar con plasma el gas de síntesis en una unidad de tratamiento con plasma en presencia de dióxido de carbono adicional para producir un gas de síntesis refinado, en donde el dióxido de carbono adicional se añade a la materia prima durante el tratamiento térmico y/o al gas de síntesis antes del tratamiento con plasma y/o se introduce en la unidad de tratamiento con plasma.
15. El proceso de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende además el proceso de quemar el gas natural sustituto como combustible, opcionalmente en combinación con al menos una porción de gas natural.
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