O metanol desempenha um papel importante para a indústria como uma commodity química e atualmente é considerado um dos principais transportadores de energia na crescente economia do hidrogênio. No entanto, a produção convencional de metanol a partir de carvão e gás natural gera grandes quantidades de emissões de gases de efeito estufa. Com o projeto Carbon2Chem, parceiros da indústria, pesquisa e academia têm como missão explorar processos de produção de metanol a partir de gases residuais industriais usando a indústria siderúrgica como exemplo.
Pela primeira vez, a estabilidade a longo prazo da síntese de metanol a partir de gás de alto-forno purificado e real foi demonstrada em uma minifábrica Fraunhofer ISE com uma capacidade de produção de dez litros por dia em um total de mais de 5.000 horas. Em 2018, a thyssenkrupp forneceu a prova de conceito para a produção de metanol a partir do gás de alto-forno usado neste projeto.

A síntese de metanol fóssil e a produção de aço via rota de alto-forno com base em carvão são responsáveis ​​por CO₂ emissão de gases de efeito estufa. A vinculação dos dois processos nos permite substituir o metanol de combustíveis puramente fósseis, reagindo o hidrogênio verde com as emissões da produção de aço. "Os compromissos sob o acordo climático de Paris só podem ser cumpridos ligando os setores industriais. Temos que trazer as emissões que são difíceis de evitar em um ciclo", explica Dr.-Ing. Achim Schaadt, chefe do Departamento de Processos Termoquímicos do Fraunhofer ISE.

O projeto Carbon2Chem, lançado em 2016, está pesquisando processos para a conversão de gases de processo da indústria siderúrgica em produtos químicos básicos. "Na Carbon2Chem, forças inovadoras da indústria, pesquisa aplicada e universidades são combinadas para alcançar rapidamente uma solução geral implementável e sistemicamente otimizada", diz Luis F. Piedra-Garza da thyssenkrupp Steel Europe.

Gases de exaustão como edutos

A Fraunhofer ISE, que há dez anos atua na área de síntese de metanol, contou com um conceito de processamento simples e robusto para o desenvolvimento da minifábrica. Ele é baseado em dois reatores adiabáticos não resfriados e uma reciclagem no estilo industrial dos gases que não reagiram. A planta entrou em operação experimental com gases de cilindro no Fraunhofer ISE em Freiburg em 2017 antes de ser transferida para a planta piloto Carbon2Chem em Duisburg em 2019.

Os gases de exaustão da siderúrgica integrada vizinha são tratados em um sistema de purificação de gás da thyssenkrupp Industrial Solutions usando catalisadores e sorventes da empresa de especialidades químicas Clariant e são desprovidos de venenos de catalisador para a síntese subsequente.

"O pessoal da thyssenkrupp Uhde Engineering Services mantém o sistema de limpeza de gás funcionando 24 horas por dia. A siderúrgica opera em três turnos, então sempre há gás suficiente. Portanto, temos condições ideais para operação contínua em escala de planta piloto", explica Max Hadrich , chefe do grupo Power to Liquids no Fraunhofer ISE.

Em um total de mais de 5.000 horas de operação no local, foram produzidos mais de 1.500 litros de metanol bruto. O foco estava no uso do gás purificado de alto-forno, que representa a maior parte – 85% – dos gases da siderurgia. Em um teste de longo prazo que durou mais de 3.000 horas, nenhum declínio significativo na atividade do catalisador foi detectado. Isso atesta o bom funcionamento do catalisador e do projeto da planta. "Carbon2Chem e a colaboração com Fraunhofer ISE fornecem uma estrutura ideal para destacar o desempenho de nossos catalisadores industriais de síntese de metanol MegaMax para a conversão eficiente e estável de CO₂ ricos em gases de processo", diz o Dr. Andreas Geisbauer do parceiro do projeto Clariant.

Otimização de processos com o gêmeo digital

Um pré-requisito importante para a otimização do processo de síntese de metanol a partir de CO₂ O gás de síntese rico é o aprimoramento do modelo cinético para o catalisador Clariant usado em Carbon2Chem, uma vez que reações com um ciclo de reciclagem, como a síntese de metanol, exigem um profundo conhecimento das interações complexas dos parâmetros do processo.

Com base no modelo cinético aprimorado desenvolvido internamente, o Fraunhofer ISE conseguiu criar um gêmeo digital da minifábrica. Isso permite a aceleração dos processos de aprendizado, minimizando os riscos de aumento de escala para futuras plantas industriais. "Após validar nossos modelos com dados da miniplanta, conseguimos simular e otimizar os parâmetros da planta. Com os resultados da simulação, conseguimos aumentar o desempenho da miniplanta passo a passo", diz Florian Nestler, pesquisador associado do Fraunhofer ISE .

Conceito de controle para dinâmica da siderurgia integrada

Os gases siderúrgicos são uma matéria-prima essencial para a planta, porém não são constantes em sua quantidade e composição. Esta condição de contorno, que ocorre frequentemente para processos baseados em fontes de energia renováveis ​​flutuantes, é um novo desafio para a síntese de metanol. Dependendo das condições de operação ou das matérias-primas disponíveis, as propriedades dos gases da coqueria, do alto-forno (conversão de minério de ferro em ferro-gusa) ou do conversor (conversão de ferro-gusa em aço) podem variar consideravelmente. Com os dados coletados, um conceito de controle pode agora ser projetado para responder às mudanças em tempo real e manter a síntese em um ponto de operação ideal em todos os momentos.

"Estamos satisfeitos por ter concluído com sucesso os testes em Duisburg e poder nos dedicar a ampliar o processo", diz Max Hadrich. Os modelos de processo validados serão usados ​​em uma próxima etapa para projetar plantas de grande escala, realizar avaliações técnico-econômicas e avaliar o CO₂ pegada do processo. + Explorar mais

Síntese de metanol:insights sobre a estrutura de um catalisador enigmático