Z edinstvenim reaktorjem nad nezaželene pline

Kemijski inštitut in Center odličnosti Nizkoogljične tehnologije (CONOT) sta v Reaktorskem centru Podgorica odprla pilotni elektrotermični katalitični reaktor z lebdečim slojem. V njem lahko toplogredne in kisle pline pretvarjajo v dragocene industrijske kemikalije, hkrati pa pripomorejo k zmanjševanju glavnih onesnaževalcev, ki nastajajo v industrijskih procesih.

»Gre za edinstven reaktor, prvi tak na svetu, ki je sicer le del širše proizvodnje linije. Z njim lahko karbonil sulfid (COS), ki nastaja s spajanjem vodikovega sulfida (H₂S) in ogljikovega dioksida (CO₂), pretvorimo v žveplo in ogljikov monoksid. Za takšno reakcijo potrebujemo zelo visoke temperature, približno 1200 stopinj Celzija, ki jih v našem reaktorju lahko dosežemo z elektrotermičnim segrevanjem lebdečega sloja katalizatorja. Na pilotnem postrojenju demonstriramo tudi reaktor s strnjenim slojem katalizatorja, v katerem bomo nastali ogljikov monoksid pri visokem tlaku pretvarjali v metanol,« je povedal raziskovalec na Kemijskem inštitutu in Centru odličnosti Nizkoogljične tehnologije prof. dr. Miha Grilc. Inovativni proces temelji na uporabi elektrotermične katalize in obnovljive energije. Uporaben je v petrokemijski industriji pri predelavi nafte, zemeljskega plina, kemikalij, proizvodnji bioplina in v energetskem sektorju.

Toplogredni plin CO₂ v industrijskih procesih nastaja predvsem pri zgorevanju fosilnih goriv, vodikov sulfid pa po Grilčevih besedah nastaja pri procesih odstranjevanja žvepla iz surove nafte, poleg tega je ta strupeni plin eden glavnih stranskih produktov v bioplinarnah. Naravna nahajališča vodikovega sulfida so vulkanski izbruhi.

Iz teh plinov je torej mogoče pridobiti uporabne spojine, vendar so ti pretvorbeni procesi potekali le v največjih obratih, na primer v rafinerijah nafte, ker so energetsko potratni in dragi, je dodal dr. Grilc. »Reaktorji, kakršen je naš, pa bi lahko delovali decentralizirano in lokalno. Trenutno se za pretvorbo žvepla uporablja tako imenovani Clausov proces, ki ga je možno izvajati samo v rafinerijah, v Evropi ga izvajajo le na nekaj lokacijah.«

Novi reaktor omogoča električno gretje neposredno v reakcijski coni. »Klasične reaktorje praviloma ogrevajo z zgorevanjem zemeljskega plina in drugih fosilnih virov, skozi steno reaktorske posode, kot na primer ogenj ogreva kotel. V našem pa dovajamo toploto v reakcijsko cono, in sicer tako, da vpihavanje reaktivnega plina v vertikalni smeri ustvari lebdeči sloj katalizatorja, skozi katerega teče električni tok in ga med intenzivnim mešanjem uporovno greje. Tako je postopek energetsko bolj učinkovit, ker ne ogrevamo celotnega reaktorja. Hkrati je prenos toplote izredno hiter in lahko zelo hitro in odzivno dosežemo visoke temperature ali pa proces ustavimo,« je razložil Miha Grilc. »Ta način uporovnega gretja za kemijske reakcije bo prikazan prvič, se pa je v drugih procesih izkazal za izredno učinkovitega.«

»Ko karbonil sulfid (COS) razpade na žveplo (S) in ogljikov monoksid (CO), bomo žveplo utekočinili, CO pa nato pretvarjali v visokotlačnem reaktorju v metanol. V našem reaktorju tako ne bomo demonstrirali celotnega procesa, ampak le od polovice naprej. Torej, izpustili bomo demonstracijo pretvorbe H₂S in CO₂ v karbonil sulfid. To poteka na trdnih zeolitnih katalizatorjih, sama tehnologija procesa je znana. Večje vprašanje je, kako zelo stabilen karbonil sulfid na ekonomsko vzdržen način pretvoriti naprej v industrijsko pomembne spojine, ne da bi porabili ogromno količino energije.«

»Čeprav bo proces tudi v našem reaktorju energetsko zelo intenziven, bomo po naši oceni z neposrednim in učinkovitejšim gretjem lahko prihranili od 30 do 50 odstotkov energije in ogljični odtis bo bistveno zmanjšan v primerjavi s konvencionalnimi, že znanimi postopki.« Poleg tega, kot je še dodal prof. dr. Grilc, je novi reaktor bistveno fleksibilnejši. »Lažje ga je zagnati in ustaviti, saj je odzivnost veliko hitrejša kot v klasičnih reaktorjih, v katerih se stene reaktorskih posod ure in ure segrevajo na tako visoke temperature.«

Slovensko znanje

Reaktor so razvili v Sloveniji v okviru širšega konzorcija projekta e-CODUCT. »Idejna zasnova in podrobni inženiring sta plod slovenskega znanja. Ključna partnerja sta bila Odsek za katalizo in reakcijsko inženirstvo Kemijskega inštituta in Center odličnosti Nizkoogljične tehnologije, sodelovali pa smo tudi s tujimi partnerji. Ekipa iz Francije je pomagala pri izbiri materialov, ki morajo vzdržati visoke temperature in korozivne pline. Ti so bili pravzaprav največji izziv, tudi s povsem praktičnega vidika. Ker gre za tako specifične materiale, slovenski varilci z njimi nimajo izkušenj in je bilo težko najti delavce za fino obdelavo. Zato smo imeli podporo ukrajinskega proizvajalca, ki je že izdeloval podobne tipe reaktorjev za čiščenje grafita,« je pojasnil Miha Grilc.

»Po drugi strani se je izkazalo, da imamo vsekakor veliko znanja. V reaktorju je ogromno slovenske opreme. V iskanju partnerjev smo odkrili številna manjša slovenska podjetja, zelo specializirana in fleksibilna, ki ponujajo izredno inovativne storitve,« je poudaril raziskovalec.

Varnost

Reaktor so sprva nameravali postaviti v podjetju Melamin v Kočevju, vendar so se nato zaradi bližine odločili za nadomestno lokacijo v Reaktorskem centru Podgorica Instituta Jožef Stefan v Brinju pri Ljubljani. »To je naključje, naš reaktor ni povezan z jedrskimi reaktorji. Lokacija je bila izbrana, ker imajo v celotnem centru vso potrebno infrastrukturo,« je povedal dr. Grilc.

Poskrbeli so tudi za ustrezno varnost. »Prvi del reaktorja, to je del z elektrificiranim lebdečim slojem, ni visokotlačni reaktor, kar pomeni, da ni nevarnosti za tlačno eksplozijo. V njem sicer dosegamo zelo visoke temperature, zato je obdan z debelimi izolacijskimi plastmi. Ker je reaktor elektrificiran, smo poskrbeli, da so vsi materiali pravilno izolirani in ozemljeni. Sama oprema in prostor so načrtovani z večplastnimi aktivnimi in pasivnimi varovalnimi sistemi.«

Po odprtju reaktorja prehajajo v fazo testiranja. »Pravzaprav smo šele pred kratkim dobili vse komponente in jih sestavili v celoto. Sledi obsežno tako imenovano hladno testiranje. To pomeni, da bomo preverili tesnjenje, pravilnost delovanja sistemov, avtomatizacijo. Nato bomo prešli na inertno obratovanje, ko bo reaktor deloval pri visokih temperaturah, ampak brez nevarnih snovi. Šele nato pa bo sledilo obratovanje s kemikalijami,« je naštel sogovornik.

Reaktor bo obratoval nekaj tisoč ur. »Da bomo pridobili podatke, ali proces teče, kot smo si zastavili, in ali smo izbrali ustrezne materiale, ki so dovolj vzdržljivi. Gre za prvi prototip te vrste, zato bomo morali marsikaj večkrat preveriti.«

Del širšega projekta

Pilotni reaktor ni pomemben le za slovenski raziskovalni in industrijski prostor, saj prispeva k razvoju tehnologij za razogljičenje industrije in inovacij. Je del širšega mednarodnega projekta e-CODUCT, ki združuje devet evropskih partnerjev pod koordinacijo Univerze v Gentu v Belgiji.

»Prvi cilj projekta je torej zmanjševanje toplogrednih in kislih plinov. Želeli smo odkriti inovativne procese, ki bi bili elektrificirani. Elektrifikacija procesov je v zadnjem obdobju vse bolj zanimiva, ker je le ta energija lahko zelena, če je pridobljena iz obnovljivih virov. Ogljični odtis takih procesov je bistveno manjši,« je poudaril dr. Grilc in dodal, da se slovenski raziskovalci že dlje časa ukvarjajo z različnimi vrstami elektrifikacije procesov. »Na primer z induktivnim gretjem, magnetnim gretjem, mikrovalovnim segrevanjem in tako naprej. S temi se že nekaj časa ukvarjamo, ampak tip gretja v reaktorju je nov pristop, ki smo ga razvili zaradi narave samega procesa. Izhajali smo iz tega, da je reakcija endotermna, da je treba plin zelo močno segreti. V klasičnem reaktorju jim le težko skozi stene s prevajanjem toplote uspe dovajati dovolj energije v kratkem času, naš način pa to omogoča,« je pojasnil dr. Grilc.

Prof. dr. Joris Thybaut z Univerze v Gentu je še poudaril, da so njihovi načrti velikopotezni. »Raven tehnološke razvitosti 6 (TRL 6) bo validirana s pilotnim reaktorjem, smo pa zavezani, da bomo nadaljevali z razvojem tehnologije. Do leta 2030, kot načrtujemo, bomo izdelali industrijski produkt, do leta 2035 pa bi bila lahko naša tehnologija razširjena po Evropi in svetu,« je povedal. S tem projektom dosegamo »trojno zmago«, saj se zanašamo na obnovljive vire energije ter zmanjšujemo izpuste toplogrednih in strupenih plinov. »Tako smo našli rešitev za star problem in hkrati za številne prihodnje izzive,« je sklenil Thybaut.