Tilbake til søkeresultatene

GASSMAKS-Økt verdiskaping fra naturgass

Kinetics and Selectivity of Reactions during Oxide reduction using natural gas

Tildelt: kr 9,0 mill.

Dersom man lykkes med å erstatte kull og koks med naturgass i metallproduksjon vil det medføre en signifikant reduksjon i energiforbruk og CO2-utslipp, og forskningsaktiviteter er derfor i gang med dette målet både nasjonalt og internasjonalt. En mulig anvendelse av metan er som reduksjonsmiddel i metallproduksjon. Metan er metastabilt ved temperaturer over 500C, og har ved slike temperaturer sterkt økt reaktivitet. Dersom man kunne kontrollere metastabiliteten og reaktiviteten mot ønskede reaksjoner kunne metallproduksjon foregå ved langt lavere temperatur enn i dag, med betraktelig reduksjon av energiforbruk og CO2-utslipp. I tillegg, siden det er langt enklere å rense en gass en et fast stoff som kull/koks, kan man også forvente økt produktkvalitet i tilfeller der høy det kreves høy renhetsgrad. Problemene som gjenstår er at det er ikke kun de ønskede reaksjonene som kan finne sted, og det er den relative kinetikken og selektiviteten for de forskjellige mulige reaksjonene som bestemmer utfallet. For å kontrollere produktet må man altså forstå kinetikk og selektivitet, noe som er målet med prosjektet. Målet vil nås gjennom å utvikle forskningsmetodikk langs to akser: In situ gassanalyse og utvikling av teoretiske modeller. Aktivitetene i prosjektet har det siste året vært delt i tre: oppbygging av eksperimentelt oppsett, modellering av kjemiske reaksjoner, og modellering av karbon. En viktig del av prosjektet er å utvikle metoder for å observere kjemiske reaksjoner direkte ved høy temperatur. Vi har hittil i prosjektet fokusert på å detektere silisiumoksidgass, et viktig mellomprodukt i silisiumproduksjon. Dette er et molekyl som ikke er stabilt annet enn ved veldig høye temperaturer, og det vil derfor ikke kunne detekteres f.eks. i en avgassmåling. Utfordringer har vært knytta til å få et godt signal, siden ved høye temperaturer vil også omgivelsene (innsiden av reaktoren) avgi støyende stråling. På modelleringssiden har det vært to hovedaktiviteter, som kan skilles mellom statisk og dynamisk modellering. Dynamisk har man modellert på molekylnivå hvordan silisiumoksid og metan reagerer i gassfase og på hvilken måte de aller første molekylene av fast silisiumkarbid oppstår når dette kondenseres ut fra gassfasen. For "statisk modellering" har det vært gjort arbeid med å finne en mer realistisk beskrivelse av den karbonfasen ("sot") som oppstår når metangass dekomponerer ved høy temperatur. Det vanlige har vært som en tilnærmelse å beskrive denne med de samme fysiske og kjemiske egenskapene som grafitt. I virkeligheten vil karbonfasen inneholde hydrogen, og dette er med i den nye beskrivelsen. I tillegg tar man høyde for at partikkelstørrelsen har en effekt når denne måles i nanometer (milliondels millimeter). Dette arbeidet har vært utført i samarbeide med École Polytechnique de Montréal og McGill University i Quebec, Canada. I tillegg til samarbeidet med kanadiske universiteter har det vært samarbeid også med Australia og USA. En doktorgradsstipendiat fra University of Wollongong var i Trondheim i 3 måneder for å samarbeide om sitt prosjekt. I tillegg var prof. Zi-Kui Liu Fra Pennsylvania State University i Trondheim i en måned. Han er en internasjonalt anerkjent ekspert på atomskalamodellering og var en viktig bidragsyter i modelleringsarbeidet i prosjektet.

KISELROX will aim to develop theoretical and experimental tools applicable to research on the reduction of all oxides. Specific challenges from related projects (SIP NatGasMetal, ReSiNA, GassFerroSil, GasReSi) will be selected as the working examples in the project. To be able to characterise the gases evolved during reduction, as well as describe the conditions that retard methane cracking in these systems will be major contributions to these projects. It is thought that the application to other systems will not present major difficulties once the fundamental challenges are successfully tackled for these first cases. If methane adsorption/decomposition for a situation with active adsorbed carbon is compared to equilibrium between methane, graphite and hydrogen, it can be derived that the activity of the carbon as existing in the thermodynamically unstable methane is determined by the partial pressures of hydrogen and methane in the gas phase [Ostrovski 2006]. This means that model that describes kinet ics and selectivity with respect to carbon activity can be used to prescribe experimental conditions tailored to optimise a certain reaction path. If in addition the gas composition can be monitored accurately in situ, the carbon activity in the methane c an be indirectly measured. Once measured, the potential is opened up for manipulation, and so the carbon activity can be tuned toward the conditions predicted by the model to be favourable for oxide reduction. Together, these activities will provide a th eoretical background on what different chemical routes are plausible in the reaction chamber, a set of hypotheses on how to manipulate them, the experimental matrix needed to verify the hypotheses, as well as the gas-measurement techniques necessary for a successful execution of the experiments and, ultimately, the experimental determination of the kinetics of methane decomposition and oxide reduction.

Budsjettformål:

GASSMAKS-Økt verdiskaping fra naturgass