Получение биогаза и метана

В целом биомасса составляет седьмую часть мирового объема топлива, а по количеству полученной энергии занимает наряду с природным газом третье место. Если сравнивать ее с другими источниками энергии, то из биомассы получают в 2 раза меньше, энергии, чем из нефти, на 1/3 меньше, чем из каменного угля, и в 4 раза больше, чем дает ядерная энергетика.

Источниками биомассы являются твердые городские отходы, отходы животноводства, растительные остатки, промышленные отходы, продукты леса. Кроме того, к ним относятся водоросли и водные макрофиты, фитопланктон и бентос, продукция лесоводческих энергетических хозяйств. Интенсификация промышленного и сельскохозяйственного производства и дальнейшая утилизация неизбежно приводят к увеличению концентрации разнообразных органических отходов, ежегодный объем биомассы, выращенной на обрабатываемых землях, составляет около 8 % общего объема ее производства. Прирост биомассы лесов и кустарников в 9 раз превышает этот показатель на обрабатываемых землях, а жидкое топливо, полученное из целлюлозы деревьев и кустарников, обладает гораздо большим потенциалом, чем полученное из сельскохозяйственных культур.

Отходы неэнергетических производств, например пищевой или бумажной промышленности, а также сельскохозяйственные культуры, выращиваемые ради их энергетической ценности, являются, как известно, ценными источниками органического топлива. Определяемые как «ресурсы, не находящие применения», органические отходы содержат энергию, которую можно получить физическими, химическими и микробиологическими способами.

Особое внимание следует уделить такому важному источнику энергетически используемой биомассы, как лигнин, являющийся отходом гидролизного производства. По массе он составляет 1/3 перерабатываемой древесины и на большинстве гидролизных заводов полностью или частично вывозится в отвалы, загрязняя обширные территории. В настоящее целесообразным способом утилизации лигнина является его применение в качестве энергетического топлива (теплотворная способность лигнина из древесины 6300 кДж/кг).

Интенсивно ведутся исследования в области получения энергии из водорослевых культур. Океан является основным поставщиком морских бурых водорослей, а также обитающих на дне в стоячей воде. Рассматриваются возможности использования биомассы эстуарий, соленых и пресноводных болот. Среднее количество биомассы, которое дают водоросли, составляет 15...25 г/м сухой массы в сутки, а максимальная скорость ее образования - 30...40 г/м. Поэтому водорослевые культуры тоже могут стать эффективными источниками энергетического сырья. В качестве источников сырья для получения биомассы могут быть различные веществе (табл. 1).

Биоэнергетические станции по сравнению с традиционными электростанциями и другими нетрадиционными возобновляющимися источниками энергии являются наиболее экологически безопасными. Они способствуют избавлению окружающей среды от загрязнения всевозможными отходами. Так, например, анаэробная ферментация - эффективное средство не только реализации отходов животноводства, но и обеспечения экологической чистоты, так как твердые органические вещества теряют запах и становятся менее привлекательными для грызунов и насекомых (в процесс переживания разрушаются болезнетворные микроорганизмы). Кроме того, образуются дополнительный корм для скота (протеин) и удобрения.

Таблица 1.

Источники биомассы для выработки топлива.

Следует отметить также, что биологические процессы обладают тем преимуществом, что для них пригодно сырье с высоким содержанием воды, а осуществляются они в интервале температур от 25 до 65⁰ С.

Различные процессы преобразования биомассы в топливо (в том числе и химические) позволяют заменить фактически все производные нефти и другие горючие ископаемые топливом из биомассы, поскольку в зависимости от ее состояния и технологической переработки могут быть получены различные энергетические продукты (таблица 2).

Таблица 2.

Классификация энергетических продуктов, получаемых из биомассы

Для сухого вещества простейший способ превращения биомасс в энергию является сгорание – оно обеспечивает тепло, которое может превращаться в механическую или электрическую энергию. Поэтому и наиболее распространенный способ в настоящее время для получения тепловой и электрической энергии - это сжигание древесины, навоза, соломы и т.д. В качестве сырья для сжигания используют также обработанные физическими методами осадки сточных вод, городские отходы и твердых отходы жизнедеятельности животных.

До 17 века в России биомасса была основным источником энергии. В странах экваториального пояса биомасса и сейчас остается основным источником энергии. Её доля в энергобалансе развивающихся стран составляет 35%, в мировом потреблении энергоресурсов - 12%, в России - 3%.

Биомасса используется в России в основном в виде дров и отходов растениеводства для отопления домов, общественных зданий, в сельской местности для технологических процессов сушки, получения пара и горячей воды в производственных зданиях. В связи с этим важной задачей является повышение эффективности используемого печного и котельного оборудования и его автоматизация.

Если учесть, что только 2 млн. сельских домов в России имеют сетевой газ, то остальные 12,6 млн. домов используют дрова и уголь в южных районах или только дрова в лесных зонах. Самозаготовки дров сельским населением оцениваются в объеме 30 млн. т.у.т. в год. С учетом рабочих поселков, леспромхозов, геологов, рыболовецких и других хозяйств использование биомассы можно оценить в 40 млн. т.у.т. в год.

Современные паротурбинные электростанции, использующие биомассу в виде древесины, растительных отходов, топливных брикетов имеют КПД 20-25%. В США работает 8000 МВт таких электростанций для производства электроэнергии и теплоты. Уровень мощности электростанций из биомассы может составлять от нескольких десятков киловатт для фермерского хозяйства, 100 кВт для небольшой деревни, до 100 МВт для промышленных целей. Для установок малой мощности могут быть использованы технологии газификации биомассы и газогенераторные установки с двигателями внутреннего сгорания. Прототип такой установки электрической мощностью 2 кВт и тепловой мощностью 4 кВт разработан ВИЭСХ совместно с МАИ.

Химические способы предусматривают применение процессов пиролиза и газификации.

Газотурбинные электростанции с установками газификации биомассы имеют КПД 40-45%, что в 2 раза лучше характеристик паротурбинных электростанций. Малое содержание серы облегчает очистку генераторного газа и делает эти установки более экономичными, чем электростанции, работающие на угле. Биомасса имеет превосходство перед углем также благодаря своей более высокой способности к реакции газификации, уголь газифицируется при высокой температуре в чистом кислороде, что требует использования установок для сжижения воздуха и получения кислорода. Биомасса газифицируется при более низкой температуре, при этом теплота для поддержания процесса может быть передана через теплообменники от внешнего источника.

Сельскохозяйственные отходы лесопереработки могут обеспечить топливом электростанции малой мощности (до 1 МВт). Для электростанций большей мощности необходимо использовать энергетические плантации для крупномасштабного производства биомассы. Для энергетических плантаций создаются быстрорастущие сорта тополя и ивы для средней полосы и эвкалипта для южной климатической зоны. Количество энергии, которое можно получить с энергетической плантации при урожайности 15 тонн сухой биомассы с гектара в год и теплотворной способности 15 МДж/кг, составляет 225 ГДж/Га (6,75 т.у.т./Га). При КПД газотурбинной электростанции 40% один гектар энергетической плантации может обеспечить экологически чистым топливом производство электроэнергии в объеме 25,2 МВт.ч. (2,7 т.у.т) в год.

В России в 1995 году не использовалось 15 млн. Га пашни. Если эти земли использовать для энергетических плантаций, можно получить 378 МВт.ч. (40,5 млн. т.у.т.) электроэнергии в год, что более чем в 3 раза превышает производство электроэнергии на Российских АЭС.

Биотехнология – междисциплинарная область научно-технического прогресса. Она очень тесно связана с химией. Иногда трудно определить вид технологии – химический или биологический.

Пиролиз определяется как химическое превращение одних органических соединений в другие под воздействием теплоты. Его рассматривать как сухую перегонку без доступа окислителей в противоположность прямому сжиганию в присутствии или кислорода. Пиролиз твердых отходов был разработан на базе аналогичной технологии переработки угля в малосернистые жидкие топлива. Искусственная нефть, получаемая на выходе процесса, обладает той же теплотой сгорания, что и мазут. Другой основной продукт - высокозольный древесный уголь с теплотой сгорания более 23 МДж/кт.

Еще в начале XX века газификация древесины и другого лигно-целлюлозного сырья являлась одним из основных методов производства низкокаларийного топливного газа. Финляндия выпускает специальное оборудование для предварительной газификации древесных отходов. В роторную барабанную сушилку подаются древесные отходы с влажностью 50...60 % и горячий воздух. Подсушенные до влажности 20 % отходы поступают в бункер, оттуда - на решетку газогенератора, через которую пропускается воздух при температуре 350 ° С. полученный генераторный газ (900 С) проходит через теплообменник, в котором нагревается воздух перед подачей в газогенератор, Древесные отходы как исходное сырье могут иметь размеры до 5 см.

Газификаторы предназначены для переработки широкого ассортимента сырья: продуктов леса, сельскохозяйственных отходов и других биомассы. Используя газ, необходимо обеспечивать его полное сгорание, что важно для повышения экономичности, так и в экологическом отношении. Из современных типов газификаторов представляет интерес газогенератор мощностью от 1 до 15 МВт, (Финляндия). Например, станция мощностью 5 МВт при максимальной эксплуатации 6 тыс. ч/год вырабатывает достаточно тепла для бытовых и коммунальных нужд поселка на 5 тыс. человек (для чего потребовалось бы 3 тыс. т мазута), первая газогенераторная теплоцентраль «Бионер» мощностью 5,2 МВт построена в Финляндии в 1981 году. Эксплуатация ее подтвердила высокие технико-экономические показатели и минимальные выбросы в окружающую среду.

Преобразование биомассы в продукты питания и топливо представлено схемой 4.

Конечно, большая часть энергии, содержащейся в биомассе теряется в процессе преобразования ее в топливо, приемлемое для использования на энергетических установках. Следует, однако, отметить, что эти потери не будут, вероятно, превышать потери, связанные с переработкой угля в синтетические нефть и газ.

Схема 4.

Из биологических методов в настоящее время основными являются производство биогаза и этилового спирта, производства водорода. Производство именно этих видов топлива связано, во-первых, с относительной простотой и экономичностью и особенностями процессов эффективно обезвреживающих и утилизирующих отходы.

Производство этанола (этилового спирта)

Превращение углеводов в этиловый спирт один из наиболее известных микробных процессов.

В условиях дефицита бензина и дизельного топлива наиболее реальным заменителем нефтяного горючего для двигателей внутреннего сгорания стали спирты, особенно этанол. Это экологически чистое топливо дающее при сгорании СО_2, и Н₂О.

Этанол - экологически чистое топливо, дающее при сгорании СО2 и Н₂О. Он используется в двигателях внутреннего сгорания в чистом виде или как 10-20%-ная добавка к бензину (газол). В Бразилии уже к 1983 году 75% автомобилей работали на 95%-ном этаноле, а остальные - на газоходе. В США предполагают заменить на этанол 10% потребляемого бензина. Широкое внедрение этанола планируется в странах Западной Европы.

Спирт имеет определенное преимущество пред бензином: он сгорает быстрее и тем самым повышает мощность двигателя, октановое число спирта гораздо выше, он обеспечивает повышенный кпд, меньше загрязняет окружающую среду и несмотря на проблемы связанные с переходом на этот вид топлива по мнению ученых этот вид топлива перспективен. Например Бразилия для производства этого топлива имеет обширные плантации сахарного тростника, и здесь в основном используется газоголь – смесь бензина и до 20% спирта. Применение эмульгаторов позволяет добавлять этанол и в дизельное топливо. На сегодняшний день вопрос производства этанола связан с решением вопроса дешевых источников сырья. Применяемый кислотный гидролиз древесных и других целлюлозосодержащих отходов обходится дорого. Большие надежды возлагают ученые на ферментативный гидролиз. Создаются технологии спиртового брожения в реакторах с иммобилизованными клетками.

Энергию можно получать также из с/х культур специально выращиваемых для этой цели: это быстрорастущие деревья, а также растения богатые углеводами(крахмалом и сахарозой) легко гидролизуемыми в гексозы, которые подвергаются спиртовому брожению. Для получения этилового спирта из такой растительной биомассы необходимо экстрагировать и подвергнуть гидролизу запасные углеводы с последующим микробным сбраживанием их в спирт. Сегодня для получения топлива источниками биомассы является сахарный тростник, кукуруза, древесина, навоз. Бытовой мусор. Отходы с/х, багасса, меласса, побочные продукты производства.

Традиционные методы получения этанола – это сбраживание картофеля, крахмала, зерна с последующей ферментацией. И долгое время (до 1934 го

да)это был единственный метод получения этанола (из пищевого сырья). В 1934 году было освоено производство гидролизного этанола. А с 1964года прекращено производство пищевого этанола в нашей стране для технических целей.

Большинство исследований по созданию топлива из биомассы направлено на получение этанола из сахарного тростника, зерна и сахарной свеклы, а также рапсового метилового эфира из семян рапса. При урожайности семян рапса 3 т/Га с 1 гектара можно получить 1 т моторного топлива и 2 т высококачественных кормов. Свойства моторного топлива, получаемого из семян рапса, близки к дизельному топливу, однако вредные выбросы при использовании биодизельного топлива значительно снижены. В Чехии производится 700000 т биодизельного топлива в год. Как показывает опыт Чехии и Германии, коммерциализация этой технологии при современных ценах на нефть может быть обеспечена только с помощью государственных субсидий.

На предприятиях по переработке сахарного тростника его давят и целлюлозу отделяют от сладкого сока. Жом сжигают для получения энергии необходимой для производства. Сладкий сок концентрируют и стерилизуют, а затем подвергают брожению. Этанол получают из 8-10% спиртового раствора путем перегонки. Оставшуюся жидкость используют как удобрение. При переработке крахмала добавляется еще один этап гидролиз крахмала в сбраживаемые сахара. Для таких производств нужны внешние источники энергии

Классическими биообъектами, используемыми при получении спирта, являются дрожжи, бактерии, особенно термофильные бактерии. Термофилы способны утилизировать продукты деградации целлюлозы с очень высоким выходом спирта. Планируют использование также ацидофильных и галофильных продуцентов спирта. Повышение выхода спирта и стабилизация активности его продуцентов могут быть достигнуты путем иммобилизации клеток.

В некоторых случаях этанол, полученный сбраживанием и ферментацией, конкурирует с синтетическим спиртом, произведенным из этилена.

На значительных посевных площадях выращивать сельскохозяйственные культуры, предназначенные для биотехнологической переработки в этанол не всегда рентабельно.

Разработка технологий разложения с отделением лигнина от древесины является очень насущной задачей. Это связано с тем, что бактерии древесину не разлагают, а целлюлозу активно перерабатывают. При биологическом способе получения этанола она может являться сырьем.

Основным в настоящее время является метод получения этанола путем гидролиза древесины (химическая технология).

В большинстве стран мира предпочтение отдается получению биогаза, главным образом, из органических отходов сельскохозяйственного производства, различных отраслей промышленности, городов и городских поселков.

Биогаз состоит из примерно 68-70% метана, 28-30% из углекислого газа и 1-2 % сероводорода, водорода, азота. Биогаз плохо растворяется в воде, по своим теплотворным свойствам он сравним с лучшими видами топлив. Его можно трансформировать в эдектрическую и тепловую энергии.

В1776 году Вольта установил наличие метана в болотном газе.

В начале 20 века русский ученый В.Л. Омельянский показал, что процесс образования метана на поверхности Земли (болота, озера, сточные воды) биологический и осуществляют его микроорганизмы, находящиеся в анаэробных условиях, т.е. без доступа воздуха. Позднее Кузнецов С.И. подтвердил это экспериментально и более того показал, что месторождения природного газа - продукт разнообразных биологических процессов, протекающих ранее.

Работы этих ученых показали также возможность промышленного превращения биомассы в метан. Причем на первом этапе реализации этой программы в качестве сырья для газообразного топлива (биогаза) будут использовать органические отходы с/х производства, различных отраслей промышленности, городов и гор.поселков. Конечно при таком разнообразии исходных материалов нужен не какой либо один вид бактерий а сообщество культур и групп микробов приспособленных к данному типу сырья. Кроме того, практически всегда нужна первичная обработка сырья, благодаря которой сырье разлагают на простые соединения.

Наиболее распространенной является микробиологическая безотходная технология производства биогаза, проблемы и перспективы которой неоднократно обсуждались в последнее время в печати. Диапазон при­менения этой технологии очень большой, начиная с простых отстойников, устроенных в земле в небольших крестьянских хозяйствах, до сложной технологии высокопроизводительных биогазовых установок (рис. 2). Принципы, лежащие в основе работы биогазовых установок, очень просты.

Органические отходы разлагаются в забытых реакторах под воздействием метаногенных бактерий, образуя метан, используемый для приготовления пищи и освещения. При этом в качестве ценного побочно продукта получают удобрение. В ряде развивающихся стран действует большое число биогазовых установок и реализуется ряд комплексных проектов в этой области.

Схема производства биогаза

Получение метана из органических отходов состоит в управляемом анаэробном сбраживании отходов при участии бактерий: органические вещества разлагаются без доступа кислорода в среде с регулируемыми параметрами.

Анаэробное сбраживание сложных отходов - двухстадийный процесс. На первой стадии кислотообразующие бактерии воздействуют на сложные вещества и преобразуют высокомолекулярные соединения (жиры, белковые вещества, углеводы) в низкомолекулярные (летучие кислоты). Анаэробные бактерии разлагают сложные органические полимеры, например, целлюлозу, белки, жиры и т.д. до более простых соединений - летучих газов, кислот, водорода, сероводорода, которые и служат пищей для метаногенерирующих бактерий.

Вторая стадия – ферментация (использование определенных ферментов), или выделение газа, в процессе которой и получается метан.

Непосредственно к образованию метана способна небольшая группа микроорганизмов, относящихся к архебактериям. Жизнедеятельность метанобразующих архебактерий протекает в строго анаэробных условиях. Субстратами для образования метана могут служить муравьиная и уксусная кислоты, метанол, газовые смеси (Н₂+СО, Н₂+СО₂). Поскольку биогаз практически получают из сложных органических веществ (целлюлозы, крахмала, белков, липидов, нуклеиновых кислот), то для метан-образования применяют многокомпонентные микробные ассоциации.

Наряду с метанобразующими бактериями в состав таких ассоциаций входят микроорганизмы, переводящие органические субстраты в метанол, муравьиную и уксусную кислоты, Н₂, СО и т.д. Примером может служить метаногенная ассоциация «Мен1апоЪакШиз Кигпесеоуп», образующая метан при разложении биомассы водорослей (Чан Динь Тоай, 1984).

Кроме метаногенных анаэробов существует другая группа организмов - продуцентов углеводородов как заменителей топлива. Это микроводоросли. В США действует ферма для выращивания водорослей с суммарной площадью водоемов 52 тыс. гектаров, дающая около 4800м³ жидких углеводородов в сутки. Для улучшения топливных характеристик полученные из водорослей углеводороды подвергают гидрированию.

В производстве метана 90 – 95 % углерода биомассы превращается в метан. Благодаря указанной особенности до 90 % органического вещества в процессе развития бактерий, производящих метан, переходит в газ.

Анаэробное сбраживание нередко используется в установках по обработке сточных вод.

Метановое брожение происходит в водонепроницаемых цилиндрических контейнерах (дайджестерах) с боковым отверстием для ввода ферментируемого материала. Над дайджестером расположен стальной металлический контейнер в виде купола для сбора газа, он также препятствует поступлению воздуха во внутрь, так как этот процесс должен происходить в строго анаэробных условиях. В газовом куполе имеется труба для отвода биогаза.Дайджестеры изготовляют из кирпича, бетона, стали. Купол иногда из нейлона. Температура обычно 30-40 или 50-60 градусов, и против закисления применяют известь.

Получение метана - важный путь утилизации с/х отходов. Он получается в виде биогаза - смеси метана и СО₂. Присутствие СО₂ ограничивает теплотворную способность биогаза как топлива, которая в засивисимости от соотношения СН₄/СО₂ составляет 20,9-33,4 кДж/м³.

Биогаз из отходов, получаемых в мировом животноводстве и растениеводстве в год, может на 10 % покрыть потребности современной энергетики в топливе.

В производстве биогаза биологические ферменты способны производить и ценную побочную продукцию. Так в России существуют предприятия производящие метан и побочный продукт витамин В₂, который зарекомендовал себя как прекрасная кормовая добавка особенно в свиноводстве. Сырьем здесь служат отходы пищевой промышленности и других микробиологических производств. Особенно развито производство метана в США, Японии, Бразилии, Индии.

После переработки органического субстрата в биогаз остается материал, представляющий собой ценное минеральное (азотное и фосфорное) удобрение.

С помощью микробной биомассы можно получать кислоты, спирты, углеводы. Производство биогаза способствует не только решению энергетической проблемы, но и экологической.

Получение биогаза - процесс, отличающийся простотой оборудования и доступностью сырья, требует небольших капиталовложений.

В Китае, Индии, ряде других стран эксплуатируются небольшие установки, в которые вносят подручный материал (солому, навоз и др.), что исключает затраты на доставку сырья. В Китае действует свыше 7 млн. малых установок вместимостью 10-15 л, достаточных для удовлетворения энергетических потребностей семьи из пяти человек.

Дата добавления: 2015-04-25