甲醇作为一种商品化学品在工业中发挥着重要作用，目前被认为是正在崛起的氢经济的主要能源载体之一。然而，传统的煤炭和天然气甲醇生产产生大量温室气体排放。在Carbon2Chem项目中，来自工业、研究和学术界的合作伙伴以钢铁工业为例，探索从工业废气中生产甲醇的过程。
这是第一次，从实际提纯的高炉煤气合成甲醇的长期稳定性现在已经在夫劳恩和费ISE小型工厂中得到了证明，该工厂的生产能力为每天10升，总生产时间超过5000小时。2018年，蒂森克虏伯为该项目使用的高炉煤气生产甲醇提供了概念验证。
化石甲醇合成和以煤为基础的高炉炼钢路线造成了大量的二氧化碳温室气体排放。将这两个过程联系起来，我们就可以用绿色氢与钢铁生产的排放反应，取代纯化石燃料中的甲醇。“巴黎气候协议下的承诺只能通过连接工业部门来实现。我们必须把难以避免的排放纳入一个循环，”Dr.-Ing解释道。Fraunhofer ISE热化学过程部门的负责人Achim Schaadt说。
2016年启动的Carbon2Chem项目正在研究将钢铁工业的工艺气体转化为基础化学品的过程。蒂森克虏伯欧洲钢铁公司的Luis F. Piedra-Garza表示:“在Carbon2Chem，来自工业、应用研究和大学的创新力量被结合起来，以快速实现可实施的、系统优化的整体解决方案。”
废气作为排出物
夫琅和费ISE，已经在甲醇合成领域工作了十年，依靠一个简单和健壮的加工概念来发展微型工厂。它是基于两个非冷却绝热反应堆和工业式的未反应气体回收。该工厂于2017年在弗赖堡的夫劳恩霍夫工业园区(Fraunhofer ISE)使用钢瓶气体进行了试运行，2019年被转移到杜伊斯堡的Carbon2Chem中试工厂。
附近综合钢铁厂的废气在蒂森克虏伯工业解决方案公司的气体净化系统中处理，使用特殊化学品公司科莱恩的催化剂和吸附剂，不含后续合成所需的催化剂毒素。
蒂森克虏伯Uhde工程服务公司的人员24小时保持气体清洗系统的运行。这家钢铁厂实行三班制，所以总是有足够的煤气。因此，我们拥有在试点工厂规模上持续运行的理想条件，”夫琅和费ISE的Power to fluid集团负责人Max Hadrich解释道。
在现场总共5000多个工作小时内，生产了超过1500升的粗甲醇。重点是使用高炉净化煤气，高炉净化煤气占钢铁厂煤气的比重最大，达85%。在持续超过3000小时的长期测试中，没有检测到催化剂活性的显著下降。这证明了催化剂和装置设计的良好功能。项目合作伙伴科莱恩的Andreas Geisbauer博士说:“Carbon2Chem和与Fraunhofer ISE的合作提供了一个理想的框架，以强调我们的工业MegaMax甲醇合成催化剂的性能，以高效和稳定地转化富含co2的过程气体。”
过程优化与数字双胞胎
从富CO2合成气合成甲醇的工艺优化的一个重要前提是改进Carbon2Chem中使用的科莱恩催化剂的动力学模型，因为甲醇合成等循环循环反应需要对工艺参数之间复杂的相互作用有深刻的理解。
基于内部开发的改进动力学模型，Fraunhofer ISE能够创建一个微型工厂的数字双胞胎。这允许加速学习过程，同时最小化未来工业工厂的扩大风险。“在用小型工厂的数据验证了我们的模型后，我们能够模拟和优化工厂参数。利用模拟结果，我们成功地逐步提高了微型装置的性能，”弗劳恩霍夫ISE的副研究员Florian Nestler说。
有限公司控制有限公司综合钢厂动力学概念
炼钢厂气体是工厂必不可少的原料，但其数量和组成并不恒定。这种边界条件经常出现在基于波动可再生能源的过程中，对甲醇合成是一个新的挑战。根据操作条件或可用的原材料，来自焦化厂、高炉(将铁矿石转化为生铁)或转炉(将生铁转化为钢)的气体的性质可能有很大的不同。有了收集到的数据，现在可以设计一个控制概念来实时响应变化，并在任何时候保持合成在最佳操作点。
Max Hadrich说:“我们很高兴在杜伊斯堡成功完成了试验，并能够致力于扩大这一过程。”经过验证的工艺模型将在下一步用于设计大型工厂，进行技术经济评估和评估工艺的二氧化碳足迹。
