تبدیل زغال سنگ و زیست توده به سوخت های پاک از طریق فرآیند فیشرروپش

تصور کنید که زغال سنگ، گاز طبیعی، یا حتی زباله های بیوماس را به بنزین پاک، دیزل، یا حتی سوخت هواپیما تبدیل کنید.سنتز فیشر-تروپش (Fischer-Tropsch synthesis) فناوری کلیدی است که این چشم انداز را ممکن می کند.که در اوایل قرن بیستم متولد شد، این فرآیند شیمیایی کاتالیتیک در طول یک قرن به یک ستاره در حال ظهور در بخش انرژی تبدیل شده است.نقش فزاینده ای در امنیت انرژی و حفاظت از محیط زیست.

اصل و مکانیسم سنتز فیشر-تروپش

سنتز فیشر-تروپش یک واکنش شیمیایی کاتالیستی است که مونوکسید کربن (CO) و هیدروژن (H2) را به ترکیبات هیدروکربن مایع مختلف تبدیل می کندو الکل ها در شرایط خاص کاتالیزورواکنش کلی را می توان به این شکل ساده کرد:

nCO + (2n+1)H2 → CnH(2n+2) + nH2O (الکان ها)
nCO + 2nH2 → CnH2n + nH2O (الکین ها)

در اینجا ، n تعداد اتم های کربن را نشان می دهد ، وزن مولکولی و خواص محصولات را تعیین می کند. فرآیند سنتز FT واقعی بسیار پیچیده تر است و شامل چندین مرحله واکنش است:

• جذب واکنش دهنده:CO و H2 ابتدا روی سطح کاتالیزور جذب می شوند.
• فعال شدن و جدا شدن:مولکول های جذب شده فعال می شوند؛ هیدروژن به اتم ها جدا می شود، در حالی که CO ممکن است جدا شود یا نباشد.
• شروع زنجیره:اتم های کربن یا گروه های هیدروکربن روی سطح کاتالیست تشکیل زنجیره کربن را آغاز می کنند.
• رشد زنجیره:ورودی مداوم CO زنجیره کربن را گسترش می دهد.
• پایان زنجیره:هنگامی که به طول خاصی می رسد، زنجیره از کاتالیزور جدا می شود و محصول نهایی را تشکیل می دهد.

توزیع محصول بستگی به عوامل متعددی دارد، از جمله نوع کاتالیزور، درجه حرارت، فشار، ترکیب گاز و طراحی راکتور.بهینه سازی این پارامترها می تواند انتخاب را نسبت به محصولات مورد نظر افزایش دهد.

کاتالیزورها در سنتز فیشر-تروپش

کاتالیزورها در سنتز FT مرکزی هستند و فعالیت واکنش، انتخابی و پایداری را تعیین می کنند. دو نوع اصلی کاتالیزور مبتنی بر آهن و مبتنی بر کوبالت هستند.

• کاتالیزورهای آهن:این گاز ها با هزینه های کم و تحمل گوگرد، برای گاز های ترکیب شده از زغال سنگ یا زیست توده ایده آل هستند. اغلب با افزودنی پتاسیم یا مس تقویت می شوند، آنها عمدتاً اولفین های سبک و الکل ها را تولید می کنند.در کنار CO2 از واکنش های تغییر آب-گاز.
• کاتالیزورهای مبتنی بر کوبالت:بسیار فعال و انتخابی با تولید متان حداقل، این مناسب گاز ترکیب مشتق شده از گاز طبیعی است. به طور معمول بر روی مواد سطح بالا مانند آلومینیوم یا سیلیس،آنها الکان های سنگین را برای تولید دیزل و موم ترجیح می دهند..

تحقیقات در مورد کاتالیزورهای جدید (به عنوان مثال ، مبتنی بر روتنیوم یا نیکل) برای بهبود عملکرد ادامه دارد.

جریان فرآیند سنتز فیشر-تروپش

فرآیند FT شامل سه مرحله است: تولید گاز ترکیب، سنتز FT و جدایی محصول / ارتقاء.

• توليد گاز سنگزي:حاصل از زغال سنگ (از طریق گازسازی) ، گاز طبیعی (از طریق اصلاح) ، زیست توده (از طریق گازسازی) ، یا اکسیداسیون جزئی نفت سنگین.
• خلاصه:گاز ترکیب شده تصفیه شده در راکتورهای تخصصی (خواب ثابت، بستر مایع یا بستر خمیر) تحت دماهای کنترل شده واکنش نشان می دهد تا از غیرفعال شدن کاتالیزور جلوگیری شود.
• ارتقاء محصول:مخلوط های محصولات پیچیده تحت تقطیر، استخراج، هیدروکریک یا ایزومریزاسیون برای تولید سوخت (بنزین، دیزل) یا مواد شیمیایی خاص قرار می گیرند.

کاربرد تکنولوژی فیشر-تروپش

سنتز FT راه حل های مختلف انرژی را امکان پذیر می کند:

• زغال سنگ به مایعات (CTL):تبدیل زغال سنگ فراوان به سوخت های تمیز، نمونه ای از کارخانه های تجاری Sasol در آفریقای جنوبی و ابتکارات امنیت انرژی چین.
• گاز به مایعات (GTL):گاز طبیعی اضافی را به سوخت های با ارزش تبدیل می کند، همانطور که در پروژه Pearl GTL Shell در قطر دیده می شود.
• میزان تولید از ذرات زیستی به مایعات (BTL):تولید سوخت های تجدیدپذیر از اتلاف زیست توده، کاهش وابستگی فسیلی و انتشار.
• مواد شیمیایی ویژه:تولید α-olefins، الکل ها و اسیدهای کربوکسیلی برای پلاستیک، مواد شوینده و روان کننده ها.

چالش ها و چشم انداز آینده

علیرغم وعده های خود، سنتز FT با موانع مواجه است:

• هزینه های بالا:هزینه های سرمایه و عملیاتی، به ویژه برای تولید گاز ترکیب، مانع از پذیرش گسترده می شود.
• محدودیت های کاتالیزور:کاتالیزورهای آهن­ توزیع گسترده محصول و حساسیت کوبالت به ناخالصی­ها نیاز به تصفیه دارند.
• طرح رآکتور:مدیریت واکنش های exothermic بدون تخریب کاتالیزور همچنان پیچیده است.
• تاثیرات زیست محیطی:انتشار دی اکسید کربن و فاضلاب نیاز به استراتژی های کاهش مانند جذب کربن دارند.

پیشرفت در کاتالیزورها، راکتورها و فن آوری های خنثی کربن می تواند سنتز FT را به عنوان سنگ بنای انرژی پایدار قرار دهد، استفاده از منابع را با مدیریت محیط زیست متعادل کند.