Methanol aus Hüttengas: Carbon2Chem^®-Pilotanlage

Hüttengas aus der Stahlproduktion als Rohstoffquelle für die chemische Industrie erschließen: Das ist Ziel des vom BMBF geförderten Verbundprojekts Carbon2Chem^®. Eines der potenziellen Produkte ist Methanol, das vielseitig als Basischemikalie oder synthetischer Kraftstoff einsetzbar ist. Im September 2018 wurde erstmals Methanol aus Hüttengasen im Technikum am Stahlwerk Duisburg erzeugt. Was im Labormaßstab gelang, wird für die großtechnische Umsetzung vorbereitet: Seit Juli 2019 ist am Carbon2Chem^®-Labor in Oberhausen eine Pilotanlage in Betrieb. Ab 2020 soll sie in Duisburg bis zu 75 Liter Rohmethanol am Tag aus Hüttengasen des dortigen Stahlwerks produzieren.

Methanol ist eines der potenziellen Produkte, das aus Hüttengas hergestellt werden soll. Es ist vielseitig als Basischemikalie oder synthetischer Kraftstoff einsetzbar. Kohlenmonoxid und Kohlendioxid sowie Wasserstoff sind die Grundlage für die Herstellung von Methanol. Der für die Methanolherstellung nötige Kohlenstoff wird derzeit überwiegend durch fossile Quellen wie Erdgas bereitgestellt. Bei Carbon2Chem^® stammt er aus Hüttengas.

Vorbereitung der großtechnischen Methanolproduktion

Im September 2018 wurde erstmals Methanol aus Hüttengasen im Technikum am Stahlwerk Duisburg erzeugt. Was im Labormaßstab gelang, wird nun in Oberhausen für die großtechnische Umsetzung vorbereitet. Im Oberhausener Carbon2Chem^®-Labor forschen die Partner des Konsortiums gemeinsam u.? a. an Verfahren zur Gasreinigung sowie zur Produktion von Methanol.

Seit Juli 2019 ist in Oberhausen eine Pilotanlage zur Methanolproduktion in Betrieb. An ihr werden Versuche durchgeführt, um die Produktion von Methanol aus Hüttengas aus der Stahlproduktion verfahrenstechnisch simulieren zu können. Diese Modellierung ist wesentlich für die Auslegung und Optimierung der großtechnischen Methanolproduktion, zu der die Pilotanlage am Ende der Versuchsreihen von Oberhausen ins Carbon2Chem^®-Technikum nach Duisburg umziehen wird.

Erweiterung der Gasversorgung und Steuerung

Aktuell wird die Pilotanlage an Gasversorgung und Steuerung erweitert, um Synthesegas mit einem beliebigen Verhältnis zwischen Kohlendioxid und Kohlenmonoxid simulieren zu können. So werden in Oberhausen die natürlichen Schwankungen in der Zusammensetzung von realem Hüttengas nachgebildet, mit denen es die Pilotanlage künftig in Duisburg zu tun bekommen wird.

Nachrüstung mit Gasanalysatoren und Temperaturmessung

Darüber hinaus werden zusätzliche Messgeräte installiert. Zum einen handelt es sich dabei um Gasanalysatoren, die die Zusammensetzung des am zukünftigen Standort zugeführten Hüttengases messen und das im Kreis geführte Synthesegas analysieren. Zum anderen wird eine Temperaturmessung entlang der Reaktorachse mit 36 Messstellen installiert, die zukünftig eine detaillierte Auswertung der Katalysatoraktivität über der Reaktorhöhe und der Versuchsdauer erlaubt. Unterstützt wird dies durch die Forschungsaktivitäten des Fraunhofer UMSICHT im Rahmen der Digitalisierung verfahrenstechnischer Prozesse im Leistungszentrum Dynaflex.

Fakten zur Carbon2Chem^®-Methanol-Pilotanlage

Die Pilotanlage stammt aus der Schweiz und wurde dort für die Umsetzung reinen Kohlendioxids mit Elektrolyse-Wasserstoff zu Methanol konzipiert. Bis auf die mit bis zu 75 Litern pro Tag Rohmethanol (Gemisch aus Methanol und Wasser) im Vergleich zur industriellen Produktion geringen Produktionskapazität weist die Anlage alle wesentlichen Konstruktionsmerkmale einer großskaligen Anlage auf.

Der erste Betrieb der Pilotanlage erfolgte im Juni 2019. In diesem Monat wurde der Reaktor erstmals aufgeheizt und anschließend wurde Katalysator reduziert. Im gleichen Monat wurde die Pilotanlage zum ersten Mal mit Synthesegas betrieben, das wie in der ursprünglichen Auslegung ausschließlich aus Kohlendioxid und Wasserstoff bestand. Nach einer Einlaufphase von ca. 5 Stunden hatte das erzeugte Rohmethanol eine Zusammensetzung bzgl. der Hauptkomponenten von etwa 63 Gewichtsprozent Methanol und ca. 37 Gewichtsprozent Wasser, was genau der für dieses Synthesegas zu erwartenden Zusammensetzung entspricht. Genauere Analysen des flüssigen Produkts werden momentan beim Fraunhofer UMSICHT und bei der thyssenkrupp Industrial Solutions AG durchgeführt.

Die in Oberhausen gewonnenen Ergebnisse bilden die wissenschaftliche Basis für die Arbeiten mit den realen Hüttengasen, die am Rande des Stahlstandorts Duisburg durchgeführt werden. Dort bietet das Carbon2Chem^®-Technikum direkten Zugang zu realen Hüttengasen und die Möglichkeit, Versuche unter industriellen Rahmenbedingungen durchzuführen.
Carbon2Chem^®-Pilotanlage Methanol:

• Standort (aktuell): Fraunhofer UMSICHT, Oberhausen
• Standort (ab 2020): Carbon2Chem^®-Technikum, Duisburg
• Bereitstellung: April 2018
• Erster Betrieb: Juni 2019
• Kapazität: 75 Liter Rohmethanol pro Tag
• Reaktorrohr: 42 Millimeter Durchmesser und 6 Meter Länge
• Reaktorkühlung: Mantel mit siedendem Wasser
• Dampferzeugung: bei 40 – 50 bar
• Gasrückführung: nicht reagiertes Synthesegas wird nach Abtrennung der flüssigen Produkte in den Reaktor zurückgeführt
• Ursprüngliche Konzeption: Umsetzung reinen Kohlendioxids mit Elektrolyse-Wasserstoff zu Methanol
• Anlagenerweiterung: Ausbau der Gasversorgung und Steuerung der Anlage, Installation von Gasanalysatoren, Temperaturmessung entlang der Reaktorachse mit 36 Messstellen

Das Projekt Carbon2Chem^®

Das Ziel im Projekt Carbon2Chem^® ist die Nutzung von CO₂-Emissionen als Rohstoffquelle für die chemische Industrie. Dies reduziert die Emissionen am Stahlwerk und den Einsatz fossiler Rohstoffe in der chemischen Produktion.

Carbon2Chem^® ist ein Großprojekt, in dem 17 Partner aus Industrie und Forschung eine Technologie erarbeiten, die bei einer großtechnischen Umsetzung ein Vermeidungspotenzial von rund 20 Millionen Tonnen der jährlichen CO₂-Emissionen der deutschen Stahlbranche wirtschaftlich erschließen kann. Die Technologie ist auch in anderen CO₂-intensiven Industrien einsetzbar. Carbon2Chem^® wird vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) mit rund 63 Millionen Euro gefördert.

Source: Fraunhofer UMSICHT, Pressemitteilung, 2019-07-31.