Синтез метану із вуглекислого газу. Спосіб отримання метану та його похідних. CO2 при виробництві негашеного вапна CaO з CaCO3

Використання: одержання вуглеводнів. Сутність: 10-80% водний розчин гетерополікислоти 2-18 ряду H 6 нагрівають до температури 70-140 o С, далі в розчин занурюють свинцеву або мідну пластину і вичікують 3-15 хв до початку процесу відновлення аніонного комплексу 6- , після чого через розчин при тиску 700-800 мм рт. пропускають газову суміш з концентрацією вуглекислого газу не більше 60 об.% та концентрацією кисню не менше 5 об. % до одержання метану або одного з насичених вуглеводнів. Технічний результат: отримання метану з вуглекислого газу промислових обсягах.

Текст опису у факсимільному вигляді (див. графічну частину).

формула винаходу

Спосіб отримання метану та його похідних, основною сировиною для якого є вуглекислий газ, який відрізняється тим, що 10-80%-ний водний розчин гетерополікислоти 2-18 ряду H 6 нагрівають до температури 70-140С, далі в розчин занурюють свинцеву або мідну пластину вичікують 3-15 хв на початок процесу відновлення аніонного комплексу 6- , після чого через розчин при тиску 700-800 мм рт.ст. пропускають газову суміш з концентрацією вуглекислого газу не більше 60 об.% та концентрацією кисню не менше 5 об.% до отримання одного з насичених вуглеводнів.

Схожі патенти:

Винахід відноситься до нафтохімії, зокрема до способів очищення нафти, газоконденсату та нафтопродуктів, а також водонафтових емульсій від сірководню та/або низькомолекулярних меркаптанів, і може бути використане в нафтовій, газовій, нафтогазопереробній, нафтохімічній та інших галузях промисловості

Винахід відноситься до комплексної переробки піроконденсату високотемпературного гомогенного піролізу граничних вуглеводнів складу С3-С5

Винахід відноситься до способів отримання рідких вуглеводневих продуктів з газів, зокрема з діоксиду вуглецю, і може знайти застосування в нафтопереробній та нафтохімічній галузях промисловості

Винахід відноситься до способу одержання метану з атмосферного діоксиду вуглецю Спосіб характеризується тим, що використовують механічну суміш термічно регенерованого сорбенту - поглинача діоксиду вуглецю, який являє собою карбонат калію, закріплений в порах діоксиду титану, і має склад: мас%: K2CO3 - 1-40, TiO2 - інше до 100, і фотокаталізатора для процесу метанування або відновлення виділяється в процесі регенерації діоксиду вуглецю складу: мас. мас.%. Даний спосіб є енергоефективним способом отримання метану з діоксиду вуглецю повітря, використовує альтернативну відновлювану енергію для синтезу палив. 4 з.п. ф-ли, 4 ін., 1 іл.

Винахід відноситься до способу отримання вуглеводневих продуктів, що включає стадії: (a) забезпечення синтез-газу, що містить водень, монооксид вуглецю та діоксид вуглецю; (b) реакція перетворення синтез-газу в оксигенатну суміш, що містить метанол і диметиловий ефір, у присутності одного або більше каталізаторів, які спільно каталізують реакцію перетворення водню і монооксиду вуглецю в оксигенати, при тиску щонайменше 4 МПа; (c) вилучення зі стадії (b) оксигенатної суміші, що містить кількості метанолу, диметилового ефіру, діоксиду вуглецю і води разом з синтезом-газом, що не прореагував, і введення всієї кількості оксигенатної суміші без додаткової обробки в стадію каталітичного перетворення оксигенатів (d); (d) реакція оксигенатної суміші у присутності каталізатора, який є активним у перетворенні оксигенатів у вищі вуглеводні; (e) вилучення вихідного потоку зі стадії (d) і поділ вихідного потоку на хвостовий газ, що містить діоксид вуглецю, що виникає з синтез-газу, і доксид вуглецю, утворений на стадії (b), рідку вуглеводневу фазу, що містить отримані на стадії (d) ) вищі вуглеводні, і рідку водну фазу, де тиск, застосовуваний на стадіях (c)-(e), є по суті таким же, як застосовується на стадії (b), причому частина хвостового газу, отриманого на стадії (e), рециркулюють на стадію (d), а решту хвостового газу відводять. Даний спосіб є способом у якому відсутня рециркуляція непрореагував синтез-газу на стадію синтезу оксигенатів і без охолодження реакції перетворення диметилового ефіру на вищі вуглеводні. 1 н.п., 5 з.п. ф-ли, 2 ін., 1 табл., 2 іл.

Даний винахід пропонує спосіб виробництва етиленоксиду, що включає: a. крекінгу включає етан вихідного матеріалу в зоні крекінгу в умовах крекінгу для отримання олефінів, включаючи, щонайменше, етилен і водень; b. конверсію вихідного оксигенату в зоні конверсії оксигенатів в олефіни (ОТО) для отримання олефінів, включаючи щонайменше етилен; c. напрям, щонайменше, частини етилену, отриманого на стадії (a) та/або (b), в зону окислення етилену разом з вихідним матеріалом, що містить кисень, і окислення етилену для отримання щонайменше етиленоксиду і діоксиду вуглецю; і в якому, щонайменше, частину вихідного оксигенату отримують, спрямовуючи діоксид вуглецю, отриманий на стадії (c), і вихідний матеріал, що містить водень, в зону синтезу оксигенатів і синтезуючи оксигенати, де вихідний матеріал, що містить водень, містить водень, отриманий на стадії (a). В іншому аспекті даний винахід пропонує інтегровану систему для виробництва етиленоксиду. Технічний результат - розробка процесу одержання етиленоксиду та необов'язково моноетиленоксиду шляхом інтегрування процесів крекінгу етану та ВТО, що дозволяє скоротити викиди діоксиду вуглецю та кількість синтез-газу, необхідного для синтезу оксигенатів. 2 зв. та 13 з.п. ф-ли, 1 іл., 6 табл., 1 ін.

Винахід відноситься до способу перетворення діоксиду вуглецю в газі, що відходить, в природний газ з використанням надлишкової енергії. Причому спосіб включає стадії, в яких: 1) виконують трансформацію напруги та випрямлення надлишкової енергії, яка вироблена з відновлюваного джерела енергії, і яку важко зберігати або підключити до енергетичних мереж, надсилають надлишкову енергію в розчин електроліту для електролізу води в ньому на Н2 і O2 і видаляють воду з Н2; 2) проводять очищення промислового відпрацьованого газу для відділення з нього CO2 і очищають виділений з нього CO2; 3) подають Н2, генерований на стадії 1), і CO2, відокремлений на стадії 2), обладнання для синтезу, що включає щонайменше два реактори зі стаціонарним шаром, щоб високотемпературну газову суміш з основними компонентами СН4 і водяною парою отримати в результаті високоекзотермічної реакції метанування між Н2 і CO2, причому первинний реактор зі стаціонарним шаром зберігають при температурі на вході 250-300°З тиску реакції 3-4 МПа, і температурі на виході 600-700°С; вторинний реактор зі стаціонарним шаром зберігають при температурі на вході 250-300°З тиску реакції 3-4 МПа, і температурі на виході 350-500°С; причому частину високотемпературної газової суміші з первинного реактора зі стаціонарним шаром перепускають для охолодження, видалення води, стиснення і нагрівання, і потім змішують зі свіжими Н2 і CO2, щоб транспортувати газову суміш назад в первинний реактор зі стаціонарним шаром після того, як об'ємне вмісту CO2 нею становить 6-8%; 4) використовують високотемпературну газову суміш, генеровану на стадії 3), для проведення непрямого теплообміну з технологічною водою для отримання перегрітої водяної пари; 5) подають перегріту водяну пару, отриману на стадії 4), в турбіну для вироблення електричної енергії, і повертають електричну енергіюна стадію 1) для трансформації напруги та випрямлення струму, та для електролізу води; і 6) конденсують і висушують газову суміш на стадії 4), охолоджену в результаті теплообміну, доки не буде отриманий природний газ із вмістом СН4 аж до стандартного. Також винахід відноситься до пристрою. Використання цього винаходу дозволяє збільшити вихід метанового газу. 2 зв. та 9 з.п. ф-ли, 2 ін., 2 іл.

Винахід відноситься до способу отримання метанолу з багатого вуглекислого потоку в якості першого сировинного потоку і багатого вуглеводнями потоку в якості другого сировинного потоку, а також до установки для його здійснення. Спосіб включає наступні стадії: подачу першого багатого діоксидом вуглецю сировинного потоку щонайменше до однієї стадії метанізації та перетворення першого сировинного потоку з воднем в умовах метанізації в багатий метаном потік, подачу багатого метаном потоку щонайменше до однієї стадії отримання синтез-газу та перетворення його разом з другим багатим вуглеводнями сировинним потоком в потік синтез-газу, що містить оксиди вуглецю і водень, в умовах отримання синтез-газу, подачу потоку синтез-газу до стадії синтезу метанолу, вбудованої в цикл синтезу, і перетворення його на потік містить метанол продукту в умовах синтезу метанолу, відділення метанолу від потоку містить метанол продукту і, факультативно, очищення метанолу до потоку кінцевого продукту метанолу і виділення продувного потоку, що містить оксиди вуглецю та водень, з установки синтезу метанолу. Запропонований винахід дозволяє утилізувати парниковий газ діоксид вуглецю з отриманням метанолу при використанні простої технології. 2 зв. та 13 з.п. ф-ли, 4 іл.

Спосіб отримання метану та його похідних, одержання метану, одержання в промисловості метану, одержання метану з вуглекислого газу, методи одержання метану

З часом «зелені» технології стають все популярнішими. Раніше цього тижня компанія LanzaTech про виробництво близько 15 тисяч літрів авіаційного палива. У світі виробляється набагато більше палива щодня, але це – особливе, його одержали з газоподібних викидів промислових китайських підприємств. Паливо було передано Virgin Atlantic, компанії Річарда Бренсона, і літак, заправлений цим пальним, вже здійснив успішний рейс.

Цього тижня швейцарська компанія Climeworks, що займається утилізацією атмосферного вуглекислого газу, оголосила про створення заводу в Італії, який споживатиме CO2 з атмосфери та вироблятиме водень. Останній використовуватиметься у циклі виробництва метану.

Завод уже збудований, він був створений у липні, запуск його (поки що в тестовому режимі) відбувся минулого тижня. Зрозуміло, що підприємство такого типу – недешеве задоволення, і стартапу було б не просто знайти кошти на реалізацію такого проекту. Європейський Союззнайшов гроші та профінансував проект.

Це вже третій завод компанії, який переробляє вуглекислий газ. Перше підприємство було не надто великим, швидше йшлося про створення невеликої установки, яка вловлює CO2 з атмосфери і пускає його в теплиці, де рослини в результаті підвищення концентрації вуглекислого газу швидше розвивалися. Другий завод побудований в Ісландії, там він переводить CO2 з газоподібного стану у зв'язаний. Газ у буквальному значенні «впорскують» у літосферу вулканічно активних регіонів (вся Ісландія, по суті, є таким регіоном), де він зв'язується хімічно з базальтом.

Другий варіант утилізації вуглекислого газу досить складно здійснити технічно, тому реалізація проекту була дещо проблемною. Проте керівництво компанії заявило про тривалу роботу установок без збоїв, «жодного розриву» помічено не було за досить довгий термін. Конструкція другого заводу модульна, його можна розширювати, збільшуючи, таким чином, продуктивність установки.

Що стосується третього варіанту промислового підприємства, то воно працюватиме не цілодобово, а всього 8 годин на день. Його завдання – продемонструвати можливість виробництва палива «з повітря». Зрозуміло, що паливо, згоряючи, виділятиме продукти реакції, включаючи вуглекислий газ. Але завод уловлюватиме CO2 знову і знову, таким чином, буде здійснюватися «техногенний цикл вуглекислого газу». Якщо масштабувати виробництво, то споживання C02 та вироблення пального для літаків також збільшуватиметься в обсягах.

Поки що встановлення заводу включає три збірки повітря, які, за словами керівників проекту, вельми енергоефективні - більш ніж попередні версії. У рік завод, за нинішнього обсягу роботи, може збирати близько 150 тонн вуглекислого газу. Установка заводу дозволяє виробляти близько 240 кубічних метрів водню за годину, використовуючи енергію, що генерується сонячними батареями.

Авіаційне паливо, виготовлене з вуглекислого наза

Далі водень зв'язується з CO2 (його також виділяють з атмосферного повітря) за допомогою каталізаторів. Реактор, який виконує цю операцію розробила французька компанія Atmostat. Метан очищається та використовується для потреб промисловості. Потім він під тиском перетворюється на рідину і використовується для промислових цілей.

Незважаючи на те, що завод уже працює, він є економічно неефективним. На жаль, шлях до прибутковості дуже довгий. Як зазначалося вище, виробництво здатне «вилучити» лише близько 150 тонн вуглекислого газу на рік. А щорічний обсяг викидів цієї речовини в атмосферу становить 30-40 гігатон, причому з кожним днем ​​цей показник збільшується.

Як би там не було, виробництво поки що працює, а інвестори явно зацікавлені у цій технології – нещодавно компанія закрила черговий раунд, отримавши близько $30,8 млн.

Climeworks компанія, яка займається подібними проектами, кількість таких стартапів поступово збільшується, що дає надію на те, що в результаті компанії все ж таки вийдуть на набагато більші обсяги споживання вуглекислого газу.

, вибухонебезпечні гази , парниковий ефект

Часто цей вибухонебезпечний газ називають "болотним". Усім відомий його специфічний запах, але насправді це спеціальні добавки «із запахом газу», які додаються для того, щоб його розпізнати. При згорянні він практично не залишає шкідливих продуктів. Крім усього іншого, цей газ досить бере активну участь в утворенні всім відомого парникового ефекту.

Газ зазвичай пов'язаний з живими організмами. Коли в атмосферах Марса та Титану виявився метан, у вчених виникла надія на те, що на цих планетах існує життя. На Червоній планеті метану небагато, а ось Титан буквально «залитий» ним. І якщо не для Титана, то Марса біологічні джерела метану настільки ж ймовірні, як і геологічні. Метану багато на планетах-гігантах - Юпітері, Сатурні, Урані та Нептуні, де він виник як продукт хімічної переробки речовини протосонячної туманності. На Землі він рідкісний: його утримання в атмосфері нашої планети – всього 1750 частин на мільярд за обсягом (ppbv).

Джерела та отримання метану

Метан – найпростіший вуглеводень, безбарвний газ без запаху. Його хімічна формула – CH 4 . Малорозчинний у воді, легший за повітря. При використанні в побуті промисловості в метан зазвичай додають одоранти зі специфічним «запахом газу». Основний компонент природних (77-99%), попутних нафтових (31-90%), рудничного та болотного газів (звідси інші назви метану – болотний або рудничний газ).

На 90-95% метан має біологічне походження. Травоїдні копитні тварини, такі як корови та кози, випускають п'яту частину річного викиду метану: його виробляють бактерії у їхніх шлунках. Іншими важливими джерелами є терміти, рис-сирець, болота, фільтрація природного газу (це продукт минулого життя) і фотосинтез рослин. Вулкани вносять у загальний баланс метану Землі менше 0,2%, але джерелом цього газу може бути організми минулих епох. Промислові викиди метану незначні. Таким чином, виявлення метану на планеті типу Землі вказує на наявність там життя.

Метан утворюється при термічній переробці нафти та нафтопродуктів (10-57% за обсягом), коксуванні та гідруванні кам'яного вугілля (24-34%). Лабораторні методиодержання: сплавлення ацетату натрію з лугом, дія води на метилмагнійіодид або на карбід алюмінію.

У лабораторії отримують нагріванням натронного вапна (суміш гідроксидів натрію та калію) або безводного гідроксиду натрію з оцтовою кислотою. Для цієї реакції важлива відсутність води, тому використовується гідроксид натрію, так як він менш гігроскопічний.

Властивості метану

горить у повітріблакитним полум'ям, у своїй виділяється енергія близько 39 МДж на 1м 3 . З повітрям утворює вибухонебезпечні суміші. Особливу небезпеку становить метан, що виділяється під час підземної розробки родовищ корисних копалин у гірничі виробки, і навіть на вугільних збагачувальних і брикетних фабриках, на сортувальних установках. Так, при вмісті в повітрі до 5-6% метан горить біля джерела тепла (температура займання 650-750 ° С), від 5-6% до 14-16% вибухає, понад 16% може горіти при притоку кисню ззовні. Зниження концентрації метану може призвести до вибуху. Крім того, значне збільшення концентрації метану в повітрі буває причиною ядухи (наприклад, концентрації метану 43% відповідає 12% O 2 ).

Вибухова горіння поширюється зі швидкістю 500-700 м/с;тиск газу при вибуху в замкнутому обсязі дорівнює 1 Мн/м2.Після контакту з джерелом тепла спалах метану відбувається з деяким запізненням. На цій властивості засновано створення запобіжних вибухових речовинта вибухобезпечного електроустаткування. На об'єктах, небезпечних через присутність метану (переважно вугільні шахти), вводиться т.зв. газовий режим

При 150-200 ° С та тиску 30-90 атм метан окислюється до мурашиної кислоти.

Метан утворює сполуки включення - газові гідрати, поширені у природі.

Застосування метану

Метан – найбільш термічно стійкий насичений вуглеводень. Його широко використовують як побутове та промислове паливоі як сировина для промисловості. Так, хлоруванням метану виробляють метилхлорид, метиленхлорид, хлороформ, чотирихлористий вуглець.

При неповному згорянні метану отримують саджу, при каталітичному окисленні - формальдегід, при взаємодії із сіркою - сірковуглець.

Термоокислювальний крекінгі електрокрекінгметану- важливі промислові методи отримання ацетилену.

Каталітичне окислення суміші метану з аміаком є ​​основою промислового виробництва. синильної кислоти.Метан використовують як джерело воднюу виробництві аміаку, а також для отримання водяного газу (т. зв. синтез-газу): CH 4 + H 2 O → CO + 3H 2 , що застосовується для промислового синтезу вуглеводнів, спиртів, альдегідів та ін. нітрометан.

Автомобільне паливо

Метан широко використовується як моторне паливо для автомобілів. Однак щільність природного метану в тисячу разів нижча за щільність бензину. Тому якщо заправляти автомобіль метаном при атмосферному тиску, то для рівної з бензином кількості палива знадобиться бак в 1000 разів більше. Щоб не возити величезний причіп із паливом, необхідно збільшити щільність газу. Це можна досягти стиском метану до 20-25 МПа (200-250 атмосфер). Для зберігання газу у такому стані використовуються спеціальні балони, які встановлюються на автомобілях.

Метан та парниковий ефект

Метан є парниковим газом. Якщо рівень впливу вуглекислого газу на клімат умовно прийняти за одиницю, то парникова активність метану складе 23 одиниці. Зміст метано в атмосфері зростав дуже швидко протягом останніх двох століть.

Зараз середній вміст метану CH 4 у сучасній атмосфері оцінюється як 1,8 ppm ( parts per million, Частини на мільйон). І, хоча це в 200 разів менше, ніж вміст у ній вуглекислого газу (CO 2 ), у розрахунку на одну молекулу газу парниковий ефект від метану - тобто його внесок у розсіювання та утримання тепла, що випромінюється нагрітою сонцем Землею - суттєво вищий, ніж від СО 2 . Крім того, метан поглинає випромінювання Землі у тих «віконцях» спектру, які виявляються прозорими для інших парникових газів. Без парникових газів - С2, парів води, метану та деяких інших домішок середня температура на поверхні Землі була б всього -23°C, а зараз вона близько +15°C.

Метан височується на дні океану через тріщини земної кори, виділяється у великій кількості при гірських розробках та при спалюванні лісів. Нещодавно виявлено нове, зовсім несподіване джерело метану - вищі рослини, але механізми утворення та значення даного процесу для самих рослин поки що не з'ясовані.

Метан на Землі

Неподалік Санта-Барбари з дна океану у великих обсягах у вигляді бульбашок виділяється метан – активний парниковий газ

Особливо небезпечний метан під час проведення гірничих робіт

Метан замість бензину? Легко

Коли в атмосфері Марса виявили метан, у вчених з'явилася надія знайти на планеті сліди життя

Фермерські господарства щорічно стикаються із проблемою утилізації гною. У нікуди йдуть чималі кошти, які потрібні для організації його вивезення та поховання. Але є спосіб, що дозволяє не тільки заощадити свої гроші, а й змусити служити собі на благо цей природний продукт.

Обережні господарі вже давно застосовують на практиці екотехнологію, що дозволяє отримати біогаз з гною та використовувати результат як паливо.

Тому в нашому матеріалі йтиметься про технологію отримання біогазу, також ми розповімо про те, як спорудити біоенергетичну установку.

Визначення необхідного обсягу

Об'єм реактора визначається виходячи з добової кількості гною, що виробляється у господарстві. Також необхідно враховувати тип сировини, температурний режим та час бродіння. Щоб установка повноцінно працювала, ємність заповнюється на 85-90% обсягу, щонайменше 10% має залишатися вільним для виходу газу.

Процес розкладання органіки в мезофільному встановленні при середній температурі 35 градусів триває від 12 діб, після чого ферментовані залишки витягуються, і реактор заповнюється новою порцією субстрату. Оскільки перед відправкою в реактор відходи розбавляються водою до 90%, кількість рідини також потрібно враховувати при визначенні добової завантаження.

Виходячи з наведених показників, обсяг реактора дорівнюватиме добовій кількості підготовленого субстрату (гною з водою) помноженому на 12 (час необхідний для розкладання біомаси) і збільшеному на 10% (вільний обсяг ємності).

Будівництво підземної споруди

Тепер поговоримо про найпростішу установку, що дозволяє отримати з найменшими витратами. Розглянемо будівництво підземної системи. Щоб її виготовити потрібно вирити яму, її основу та стіни заливаються армованим керамзитобетоном.

З протилежних сторін камери виводяться вхідний та вихідний отвори, куди монтуються похилі труби для подачі субстрату та відкачування відпрацьованої маси.

Вихідна труба діаметром приблизно 7 см повинна бути практично біля самого дна бункера, інший її кінець монтується в компенсуючу ємність прямокутної форми, в яку відкачуватимуться відходи. Трубопровід для подачі субстрату розташовується приблизно на відстані 50 см від дна та має діаметр 25-35 см. Верхня частина труби входить у відсік для прийому сировини.

Реактор має бути повністю герметичним. Щоб унеможливити влучення повітря, ємність необхідно покрити шаром бітумної гідроізоляції.

Верхня частина бункера - газгольдер, що має купольну або конусну форму. Він виготовляється із металевих листів або покрівельного заліза. Можна також конструкцію завершити цегляною кладкоюяка потім оббивається сталевою сіткою і штукатуриться. Зверху газгольдер потрібно зробити герметичний люк, вивести газову трубу, що проходить через гідрозатвор та встановити клапан для скидання тиску газу.

Для перемішування субстрату можна обладнати установку дренажною системою, що діє за принципом барботажу. Для цього всередині конструкції вертикально закріпіть пластикові труби, щоб їх верхній край був вище за шар субстрату. Виконайте в них безліч отворів. Газ під тиском опускатиметься вниз, а піднімаючись вгору, бульбашки газу перемішатимуть біомасу, що знаходиться в ємності.

Якщо ви не бажаєте займатися будівництвом бетонного бункера, можна придбати готову ємність із ПВХ. Для збереження тепла її потрібно обкласти навколо шаром теплоізоляції – пінополістиролом. Дно ями заливається армованим бетоном шаром 10 см. Резервуари з полівінілхлориду можна використовувати, якщо об'єм реактора не перевищує 3 м3.

Висновки та корисне відео на тему

Як зробити найпростішу установку із звичайної бочки, ви дізнаєтесь, якщо подивіться відео:

Найпростіший реактор можна зробити за кілька днів своїми руками за допомогою підручних засобів. Якщо господарство велике, то найкраще купити готову установку або звернутися до фахівців.

До цього часу у світі є лише кілька реалізованих проектів введених в експлуатацію установок одержання метану з деревини. Перші результати дозволяють сподіватися серйозний прорив у цьому напрямі.

Формули до статті «Метан з біомаси» дивіться

Метан CH 4 – газ без кольору та запаху, який майже вдвічі легший за повітря. Він утворюється у природі внаслідок розкладання без доступу повітря залишків рослинних та тваринних організмів. Тому він присутній, наприклад, у заболочених водоймах та кам'яновугільних шахтах. У значних кількостях метан міститься в природному газі, який широко використовується зараз як паливо в побуті та на виробництві.

Одна з технологій, що найбільш швидко розвиваються в галузі виробництва енергії з відновлюваних джерел - це виробництво біометану анаеробної ферментації з подальшою подачею його в мережі, за якими споживачам доставляється природний газ. Попри високі витрати на виробництво біометану за такою технологією (8-10 євроцентів на 1 кВт.год.), кількість установок для його вироблення безперервно зростає. У 2009 році на території ФРН перебували в експлуатації вже 23 класичні (працюючі на гною) біогазові установки з подачею газу до діючих газопроводів природного газу, ще 36 перебувають у стадії будівництва або планування. Причиною зростання цього показника є Закон про відновлювану енергію (Erneuerbare Energien Gesetz − EEG), прийнятий у ФРН у 2004 році, доповнений у 2009 році і що дозволяє продавцям газу пропонувати своїм клієнтам газ, отриманий з регенеративних джерел, та отримувати державні субсидії. відновлюваних джерел енергії (ВІЕ).

Перший у світі завод з виробництва газу SNG з деревини
австрійському м. Гюссінг. На передньому плані вузол отримання метану

Біометан за класичною і застосовуваною зараз повсюдно схемою отримують з рослинних субстратів (наприклад, кукурудзи), гноївки свинячих комплексів, гною великого рогатої худоби, курячого посліду і т. п. Такий метан з біомаси може бути отриманий шляхом анаеробного перегнивання (ферментації). При анаеробному перегніванні органічні речовини(природні відходи) розкладаються без кисню. Цей процес протікає у три стадії за участю двох різних груп бактерій. На першій стадії складні органічні сполуки (жирні кислоти, протеїни, вуглеводи) у результаті ферментаційного гідролізу перетворюються на простіші сполуки. На другій стадії прості сполуки піддаються впливу групи анаеробних (або кислотоутворюючих) бактерій, що призводить до утворення переважно летких жирних кислот. На третій стадії органічні кислоти під дією строго анаеробних (або метаноутворюючих) бактерій перетворюються на діоксид вуглецю та метан. Після цієї стадії виходить збагачений метаном газ (біогаз), теплота згоряння якого 5340-6230 ккал/м 3 .

«Ерзацгаз» із твердої біомаси, такий як деревина, має суттєву перевагу перед біогазом, отриманим з гною, посліду: у розпорядженні тих, хто займається виробництвом такого газу, значні обсяги відходів лісопиляння, лісозаготівель та деревообробки. Крім того, на європейському ринку ціни на відходи лісопиляння та деревообробки на відміну від цін на сільськогосподарські продукти, що застосовуються для отримання біогазу, коливаються значно менше. Не можна забувати і про те, що використання сільгосппродукції (зерна, кукурудзи, ріпаку тощо) для отримання біогазу веде зрештою до підвищення цін на продуктових ринках. Крім того, тепло, що відходить в результаті хімічної реакції, має більше високу температурув порівнянні з температурою відходить тепла реакцій ферментації в класичних біогазових установках. Звідси випливає, що теплову енергію, що вивільняється під час метанування деревини, можна з більшою ефективністю використовувати в регіональному теплопостачанні. Важливо й те, що, на відміну класичних біогазових установок, під час роботи установок отримання метану з деревини відсутні неприємні запахи. Крім того, ці установки займають набагато менше місця, ніж класичні, і можуть розташовуватися в межах міських агломератів.

Технології

Результатом поширеного сьогодні виробництва біометану з сільськогосподарських субстратів способом бродіння (анаеробної ферментації) є біометан, який переважно складається з метану та двоокису вуглецю. Потім біометан має проходити спеціальну підготовкуі доведення до якості газу шляхом відділення CO 2 . Втрати тепла при ферментації лімітують ступінь ефективності всього ланцюга процесу. ККД складає 50-60%.

При виробництві синтетичного природного газу (Substitute Natural Gas − SNG) з твердого палива, що містить вуглецю, такого як вугілля або біомаса (деревина), після теплової газифікації в першій стадії процесу виходить так званий синтетичний газ, з якого після очищення від всіляких домішок (в основному від двоокису вуглецю та сполук сірки та хлору) синтезується метан. Цей екзотермічний процес відбувається при температурі від 300 до 450 °C та тиску 1-5 бар у присутності відповідного каталізатора. При цьому протікають наступні реакції:

Формули дивіться у

В протилежність анаеробної ферментації при термічній газифікації біомаси досягається вищий ККД, внаслідок того, що відходить тепло при виробництві SNG може завжди використовуватися на місці.

В принципі одержання метану із синтез-газу, а також з газових сумішей водню (H2) та окису вуглецю (СО) – дуже стара технологія. Французький хімік Поль Сабатье винайшов спосіб отримання метану, названий його ім'ям: реакція Сабатье або процес Сабатье (фр. Sabatier-Reaktion). У 1912 році він отримав за це Нобелівську премію у галузі хімії. Цей процес є реакцією водню з діоксидом вуглецю при підвищеній температурі і тиску в присутності нікелевого каталізатора для виробництва метану. Як ефективніший каталізатор може застосовуватися рутеній з оксидом алюмінію.

Процес описується наступною хімічною реакцією:

CO 2 + 4H 2 → CH 4 + 2H 2 O.

Так як обидві реакції дуже екзотермічні, без вжиття особливих заходів для охолодження реакторів або рециркуляції при нагріванні до 600 °C відбувалося б руйнування каталізатора. Крім того, при високій температурі зсувається термодинамічна рівновага H 2 і CO, тому досить високого виходу метану можна досягти тільки при температурі нижче 300 °C.

Технологія газифікації була створена ще в 1800-і роки для виробництва синтетичного газу, необхідного для освітлення міст, а також використовуваного як теплоносій для побутових та промислових цілей (металургія, парові машини та ін.). Газифікації піддавалися як вугілля, і біомаса рослин та продукти її переробки (деревне вугілля).

Використовувати базовий процес газифікації вугілля для виробництва синтетичних хімічних речовин і палива почали з 1920-х років в Інституті Кайзера Вільгельма при дослідженні вугілля в м. Мюльгейм-на-Рурі (Німеччина). У цьому інституті Францем Фішером і Гансом Тропш був винайдений спосіб отримання синтез-газа (сингаза) для виробництва в Німеччині рідкого палива з вугілля. Процес Фішера - Тропша, або синтез Фішера - Тропша (СФТ), - це хімічна реакція, що протікає в присутності каталізатора (заліза, кобальту), при якій суміш монооксиду вуглецю (CO) і водню (H 2), тобто синтез - газ , перетворюється на різні рідкі вуглеводні. Отримані вуглеводні очищають для отримання цільового продукту - синтетичної нафти. Вуглекислий газ та монооксид вуглецю утворюються при частковому окисленні вугілля або (і) деревного палива.

Процес Фішера - Тропша описується наступним хімічним рівнянням:

CO + 2H 2 → --CH 2 -- + H 2 O
2CO + H 2 → -CH 2 - + CO 2 .

Отриманий після газифікації вугілля або твердих вуглецевих відходів сингаз може бути безпосередньо використаний як паливо, без подальшого перетворення процесу Фішера - Тропша. Таким чином, досить легко перейти від газового палива до рідкого. Під час Другої світової війни у ​​Німеччині синтез Фішера – Тропша був використаний на восьми заводах для виробництва синтетичного дизельного палива (близько 600 тис. т на рік). Проект повністю фінансувався державою. Після закінчення Другої світової війни у ​​Німеччині всі ці заводи були закриті і частково разом із технологією вивезені в рахунок репарацій у США, а звідти розійшлися по всьому світу. У той же час у Південно-Африканській Республіці компанія South African Synthetic Oil Ltd. (SASOL), використовуючи німецьку технологію, приступила до одержання синтетичного палива і на сьогодні на своїх чотирьох заводах у ПАР і на одному заводі в Катарі виробляє понад 200 тис. барелів нафтового еквівалента рідких вуглеводнів на рік. ПАР тривалий час була єдиною країною у світі, де велися розробки процесу СФТ. Але після кризи 1973 року світові нафтові та енергетичні компанії багатьох країн (особливо США та Німеччини) почали виявляти інтерес як до виробництва синтетичного рідкого палива, так і до отримання природного синтез-газу.

Розроблявся цілий ряд проектів отримання природного синтез-газу, але тільки один з них успішно реалізований в промисловому масштабі. У 1984 році в США було запущено завод з метанування бурого вугілля Great Plains Synfuels Plant (Dakotagas Company), який до сьогодні виробляє синтетичний природний газ, що подається в мережу, якою транспортується природний газ. Добова продуктивність заводу – 3,9 млн м 3 SNG.

Доречно згадати і досвід Радянського Союзу, де з кінця 1920-х до 1950-х років працювали газогенераторні установки, що використовують деревину (дрова та деревне вугілля) та торф з метою отримання газоподібного моторного палива. У 1929 році в СРСР було побудовано першу велику газогенераторну станцію, що працює на торфі, а в наступні роки − ряд інших таких же станцій на великих підприємствах. Для транспортного палива переважно застосовувалася газогенерація деревини. Після початку освоєння Західного Сибіру та відкриття найбільших у світі родовищ блакитного палива газогенерацію в СРСР, на жаль, незаслужено забули.

Одержання метану з деревини

При газифікації біомаса з хімічною формулою CH n O m перетворюється спочатку синтез-газ, що складається з водню і окису вуглецю. Зі стехіометричного загального рівняння реакції метанування біомаси з формулою сум

CH 1,23 O 0,38 + 0,5025 H 2 O→ 0,55875 CH 4 +0,44125 C 2 O

слід, що вода або водяна пара повинні підводитися в метан-реактор, а двоокис вуглецю виводитися з нього. Тут існує кілька варіантів: або СО 2 , як у промисловому синтезі, видаляється з синтез-газу прямо з метан-реактора, або, як і при підготовці біогазу (ферментації), після процесу метанування, вже з нерафінованого синтетичного природного газу. Перевага першого способу перед рештою полягає в тому, що на вхід циклу метанування надходить очищений газ. Переваги другого способу в тому, що метан-реактор може працювати з надлишком водяної пари, що істотно зменшує утворення вуглецю.

Роботи у цих напрямках ведуться в інституті Пауля Шеррера (Швейцарія), який, зокрема, брав участь у написанні Програми отримання метану з біомаси за новими технологіями (в каталітично активних вихрових шарах) у рамках проекту ЄС BioSNG. Ця технологія була застосована на практиці на ТЕЦ австрійського м. Гюссінг (Gussing). Установка для синтезу метану, здана в експлуатацію в 2009 році, має потужність 1 мВт і працює на тріску. Наразі обговорюється реалізація проекту з одержання метану з деревини потужністю 30 МВт у шведському Гетеборзі. Подібні роботи ведуться у Німеччині (Штутгарт, фірма ZSW), Нідерландах (Центр досліджень в енергетиці, ECN) та в інституті теплотехніки. Технічного університетуу м. Грац (Австрія) у співпраці з фірмою Agnion у м. Пфаффенхофен-на-Ільмі (ФРН).

Ефективність синтезу метану з біомаси

При отриманні метану в кожній фазі процесу, як і в будь-якому синтез-процесі, неминучі втрати. При протіканні екзотермічних реакцій відбувається відведення тепла, енергетичне зміст якого може перебувати у готовому продукті синтезу більше, ніж хімічно пов'язана енергія у процесі синтезу. Для метанування це означає, що тільки приблизно 60% енергії біомаси, що використовується, зберігається в готовій продукції - SNG.

Але оскільки тепло, що відводиться, має високу температуру − від 200 до 400 °C, його можна використовувати на місці. З цієї причини невеликі установки синтезу метану стають особливо прибутковими, так як можна вирішити питання використання тепла, що відводиться, на 100%, наприклад для опалення приватних домоволодінь, фермерських господарств, застосування в сушильних комплексах і т. п. Можна використовувати не тільки відходить тепло процесів газифікації і метанування, а й тепло конденсації водяної пари в нерафінованому сингазі, у складі якого міститься до 50% водяної пари. Загальний ККД за такого повного використання тепла та продажу отриманого SNG у газову мережу та газосховища наближається до 95%. Окупність таких проектів становить лише кілька років.

Внаслідок того, що природний газ може використовуватися завжди зі значно більшою ефективністю, ніж тверде паливо з біомаси, доцільніше використовувати метан, отриманий з деревини, ніж спалювати тверде біопаливо. Причина: при використанні природного газу для генерації електроенергії на газо- або паротурбінної електростанції виходить до 60% електрики, а при спалюванні твердого палива з біомаси реалізувати проекти з виходом електроенергії понад 30% дуже складно. Також при децентралізованому виробленні електроенергії до 1 мВт/год когенераційні газові електростанції на синтез-газі ефективніше ТЕС, що використовують органічний циклічний процес (ORC-процес) і спалюють тверде біопаливо.

Робота таких теплоелектростанцій заснована на послідовності циклів термодинамічного процесу циркуляції (ORС – organic rankine cycle) робочої рідини з високою молекулярною масою (термоолія, органічні речовини, що випаровуються). Циркуляційний насос закачує робочу рідину теплообмінник високотемпературного органічного теплоносія, де відбувається її випаровування. Пари рідини приводять у дію турбіну, після чого потрапляють до наступного теплообмінника, де вони, охолоджуючись водою або повітрям, конденсуються. Конденсат потрапляє до збірки циркуляційного насоса і термодинамічний цикл (ORC) повторюється. Ні теплоносій, ні рідина, що охолоджує, не знаходяться в безпосередньому контакті з турбіною або робочою рідиною. За допомогою процесу ORC теплоелектростанції досягають великої потужності, надійності роботи та економічності.

Навіть виробництво тільки однієї теплової енергії при застосуванні біометану конкурентоспроможне звичайними способамиодержання тепла. Якщо тепло, що відходить, в процесі метанування деревини використовується на місці (децентралізовано), а вироблений газ надходить у газосховище природного газу, виходить загальний коефіцієнт використання 93%, якого не досягають, наприклад, теплові електростанції, що використовують тріску або пелети (ККД самої станції нижче і додатково є втрати теплових мережах).

Поряд з підготовленим синтез-газом, відповідним за якістю природною, на великих газових ТЕЦ можна використовувати і «неочищений» синтез-газ для спільного спалювання з природним газом, що істотно знизить собівартість енергії, що виробляється.

Газ із біомаси чи викопний природний газ?

Синтетичний природний газ (SNG) – це очищений синтетичний газ, який за своїми характеристиками ідентичний природному газу.

За розрахунками компанії Agnion, собівартість виробництва SNG із тріски в установках до 1 мВт становить 8-10 євроцентів/кВт.год.

Недоліки виробництва біометану можна порівняти з витратами при видобутку і транспортуванні копалин природного газу. Однак поки що таке виробництво неконкурентоспроможне. Все залежатиме від світових нафтових цін. Якщо ціна сирої нафти, наприклад, $100 за барель, то в Німеччині для промислових клієнтів ціна на природний газ – 5-6 євроцентів/кВт.год. Для приватних домоволодінь ціна буде вищою – 8-10 євроцентів/кВт.год. За неодноразово прогнозованої ціни на нафту понад $200 за барель природний газ коштував би навіть для промислових клієнтів стабільно понад 10 євроцентів/кВт.год. За такої умови виробництво SNG із біомаси економічно могло б бути рентабельним навіть без субсидій згідно із Законом про ВДЕ. А в Україні в нинішніх цінах синтез-газ виходить вдвічі дешевше за природний. Там розробляють свій проект отримання синтез-газу шляхом газифікації суміші з тирси, соломи, торфу та вугілля. Його склад: до 25-30% метану, 30-35% окису вуглецю, а решта 6% - азот та вуглекислий газ.

В даний час енергетичні потреби світу становлять приблизно 11-12 млрд т умовного палива (у. т.) і задовольняються за рахунок нафти та газу на 58-60%. Ресурси щорічно відновлюваної рослинної біомаси енергетично в 25 разів перевищують обсяги нафти, що видобувається. Зараз рослинна біомаса, що спалюється, становить приблизно 10% споживаних енергоресурсів (приблизно 1 млрд т у. т.), у майбутньому очікується суттєве розширення використання біомаси у вигляді продуктів її переробки (рідкого, твердого палива та ін.) і в першу чергу відходів, які накопичуються і розкладаються, забруднюючи довкілля.

Потреба в нафті та природному газі збільшуватиметься, і одночасно удосконалюватимуться методи енергетичного використання рослинної біомаси (крім її прямого спалювання). Напевно, у цьому прекрасному для біоенергетики майбутньому вищеописані технології будуть затребувані вже зовсім на іншому, індустріальному рівні. Принаймні хочеться в це вірити.

Сергій ПЕРЕДЕРІЙ,
EKO Holz-und Pellethandel GmbH,
Дюсельдорф, Німеччина