Iki šiol pasaulyje yra tik keletas užbaigtų projektų, skirtų metanui iš medienos gaminti. Pirmieji rezultatai leidžia tikėtis rimto proveržio šia kryptimi.
Straipsnio „Metanas iš biomasės“ formules žr
Metanas CH4 yra bespalvės ir bekvapės dujos, kurios yra beveik dvigubai lengvesnės už orą. Jis susidaro gamtoje dėl skilimo, nepatekus oro augalų ir gyvūnų organizmų liekanoms. Štai kodėl jo yra, pavyzdžiui, pelkėse ir anglių kasyklose. Gamtinėse dujose, kurios dabar plačiai naudojamos kaip kuras kasdieniame gyvenime ir pramonėje, yra dideli metano kiekiai.
Viena sparčiausiai augančių technologijų energijos gamybos iš atsinaujinančių šaltinių srityje šiandien yra biometano gamyba anaerobinės fermentacijos būdu ir vėlesnis jo tiekimas į tinklus, kuriais gamtinės dujos tiekiamos vartotojams. Nepaisant didelių sąnaudų gaminant biometaną naudojant šią technologiją (8-10 euro centų už 1 kWh), jo gamybai skirtų įrenginių skaičius nuolat auga. 2009 metais Vokietijoje jau veikė 23 klasikinės (mėšlu kūrenamos) biodujų gamyklos, tiekiančios dujas į esamus gamtinių dujų vamzdynus, dar 36 statomos arba planuojamos. Šio rodiklio augimo priežastis – 2004 metais Vokietijoje priimtas Atsinaujinančios energijos įstatymas (Erneuerbare Energien Gesetz – EEG), pakeistas 2009 metais ir leidžiantis dujų pardavėjams siūlyti savo klientams iš regeneracinių šaltinių gaunamas dujas bei gauti valstybės subsidijas elektros gamybai. iš atsinaujinančių energijos šaltinių (AEI).
Pirmoji pasaulyje gamykla, gaminanti SNG dujas iš medienos
Austrijos miestas Giusingas. Pirmame plane yra metano gamybos padalinys
Biometanas pagal klasikinę ir dabar plačiai naudojamą schemą gaunamas iš augalinių substratų (pavyzdžiui, kukurūzų), kiaulių kompleksų srutų, galvijų mėšlo, vištų mėšlo ir kt. Toks metanas iš biomasės gali būti gaunamas jį anaerobiniu būdu skaidant (fermentuojant). ). Anaerobinio virškinimo metu organinės medžiagos (natūralios atliekos) suyra, kai nėra deguonies. Šis procesas vyksta trimis etapais, kuriuose dalyvauja dvi skirtingos bakterijų grupės. Pirmajame etape sudėtingi organiniai junginiai (riebalų rūgštys, baltymai, angliavandeniai) fermentinės hidrolizės metu paverčiami paprastesniais junginiais. Antrajame etape paprasti junginiai yra veikiami anaerobinių (arba rūgštį formuojančių) bakterijų grupe, todėl susidaro daugiausia lakiųjų riebalų rūgščių. Trečiajame etape organinės rūgštys paverčiamos anglies dioksidu ir metanu, veikiant griežtai anaerobinėms (arba metaną formuojančioms) bakterijoms. Po šio etapo gaunamos metanu prisodrintos dujos (biodujos), kurių kaloringumas 5340-6230 kcal/m 3 .
„Ersatzgas“ iš kietos biomasės, tokios kaip mediena, turi didelį pranašumą prieš biodujas, gaunamas iš mėšlo ir kraiko: tokių dujų gamyboje dalyvaujantys asmenys disponuoja įspūdingais lentpjūvės, medienos ruošos ir medienos perdirbimo atliekų kiekiais. Be to, Europos rinkoje lentpjūvės ir medienos perdirbimo atliekų kainos, priešingai nei žemės ūkio produktų, naudojamų biodujoms gaminti, kainos svyruoja daug mažiau. Reikia nepamiršti, kad žemės ūkio produktų (grūdų, kukurūzų, rapsų ir kt.) naudojimas biodujoms gaminti galiausiai lemia aukštesnes kainas maisto rinkose. Be to, cheminės reakcijos atliekinės šilumos temperatūra yra aukštesnė, palyginti su klasikinėse biodujų gamyklose vykstančių fermentacijos reakcijų atliekų šilumos temperatūra. Iš to seka, kad medienos metanavimo procesų metu išsiskirianti šiluminė energija gali būti efektyviau panaudota regioniniame šilumos tiekime. Taip pat svarbu, kad, skirtingai nei klasikinėse biodujų gamyklose, eksploatuojant metaną iš medienos gaminančias gamyklas, nebūtų nemalonaus kvapo. Be to, šie įrenginiai užima daug mažiau vietos nei klasikiniai ir gali būti įrengti miesto aglomeracijose.
Technologijos
Plačiai paplitusios biometano gamybos iš žemės ūkio substratų fermentacijos (anaerobinės fermentacijos) būdu šiandien rezultatas yra biometanas, kurį daugiausia sudaro metanas ir anglies dioksidas. Tada biometanas turi būti specialiai paruošiamas ir išgryninamas iki gamtinių dujų kokybės, atskiriant CO 2 . Šilumos nuostoliai fermentacijos metu riboja visos proceso grandinės efektyvumą. Efektyvumas yra 50-60%.
Gaminant sintetines gamtines dujas (Substitute Natural Gas – SNG) iš anglies turinčio kietojo kuro, tokio kaip anglis arba biomasė (mediena), po terminio dujinimo pirmajame proceso etape gaunamos vadinamosios sintetinės dujos, iš kurių kurį išvalius nuo visų rūšių priemaišų (daugiausia iš anglies dioksido ir sieros bei chloro junginių) sintetinamas metanas. Šis egzoterminis procesas vyksta 300–450 °C temperatūroje ir 1–5 barų slėgyje, esant tinkamam katalizatoriui. Tokiu atveju pasireiškia šios reakcijos:
Žr. formules
Skirtingai nuo anaerobinės fermentacijos, terminis biomasės dujinimas užtikrina didesnį efektyvumą, nes SNG gamybos atliekinė šiluma visada gali būti naudojama vietoje.
Iš esmės metano gamyba iš sintezės dujų, taip pat iš vandenilio (H 2 ) ir anglies monoksido (CO) dujų mišinių yra labai sena technologija. Prancūzų chemikas Paulas Sabatier išrado metano gamybos metodą, pavadintą jo vardu: Sabatier reakcija arba Sabatier procesas (pranc. Sabatier--Reaktion). Už tai 1912 m. gavo Nobelio chemijos premiją. Šis procesas apima vandenilio reakciją su anglies dioksidu aukštesnėje temperatūroje ir slėgyje, dalyvaujant nikelio katalizatoriui, kad susidarytų metanas. Rutenis su aliuminio oksidu gali būti naudojamas kaip efektyvesnis katalizatorius.
Procesas apibūdinamas tokia chemine reakcija:
CO 2 + 4H 2 → CH 4 + 2H 2 O.
Kadangi abi reakcijos yra labai egzoterminės, be specialių priemonių reaktoriams aušinti ar recirkuliuoti katalizatorius suirtų, kai kaitintų iki 600 °C. Be to, esant aukštai temperatūrai, termodinaminė H 2 ir CO pusiausvyra pasislenka, todėl pakankamai didelę metano išeigą galima pasiekti tik žemesnėje nei 300 °C temperatūroje.
Dujinimo technologija buvo sukurta dar 1800-aisiais, siekiant gaminti sintetines dujas, būtinas miestams apšviesti, taip pat naudojamas kaip aušinimo skystis buitiniams ir pramoniniams tikslams (metalurgijoje, garo mašinose ir kt.). Tiek anglis, tiek augalinė biomasė ir jos perdirbti produktai (anglis) buvo dujofikuoti.
Pagrindinis anglių dujinimo procesas sintetinėms cheminėms medžiagoms ir kurui gaminti pradėtas XX a. 20-ajame dešimtmetyje Kaizerio Vilhelmo anglių tyrimų institute Miulheime prie Rūro (Vokietija). Šiame institute Franzas Fischeris ir Hansas Tropschas išrado sintezės dujų (syngas) gamybos būdą skystam kurui iš anglies gaminti Vokietijoje. Fišerio-Tropšo procesas arba Fišerio-Tropšo sintezė (FTS) yra cheminė reakcija, vykstanti dalyvaujant katalizatoriui (geležies, kobalto), kurio metu anglies monoksido (CO) ir vandenilio (H2) mišinys, yra sintezės dujos, paverčiamos įvairiais skystais angliavandeniliais. Gauti angliavandeniliai išvalomi, kad būtų gautas tikslinis produktas – sintetinė alyva. Anglies dioksidas ir anglies monoksidas susidaro dalinės anglies ir (arba) medienos kuro oksidacijos metu.
Fischer-Tropsch procesas apibūdinamas tokia chemine lygtimi:
CO + 2H2 → -CH2 - + H2O
2CO + H2 → -CH2 - + CO2.
Sintezės dujos, gautos dujofikavus anglį arba kietas anglies turinčias atliekas, gali būti tiesiogiai naudojamos kaip kuras, be tolesnio konvertavimo naudojant Fischer-Tropsch procesą. Taigi, gana lengva pereiti nuo dujų prie skystojo kuro. Antrojo pasaulinio karo metais Vokietijoje Fišerio-Tropšo sintezė buvo naudojama aštuoniose gamyklose sintetiniam dyzeliniam kurui gaminti (apie 600 tūkst. tonų per metus). Projektą visiškai finansavo valstybė. Pasibaigus Antrajam pasauliniam karui Vokietijoje, visos šios gamyklos buvo uždarytos ir iš dalies kartu su technologijomis kaip reparacijos buvo eksportuojamos į JAV, o iš ten išplatintos visame pasaulyje. Tuo pačiu metu Pietų Afrikos Respublikoje bendrovė South African Synthetic Oil Ltd. (SASOL), naudodama vokiškas technologijas, pradėjo gaminti sintetinį kurą ir iki šios dienos keturiose gamyklose Pietų Afrikoje ir vienoje gamykloje Katare per metus pagamina daugiau nei 200 tūkstančių barelių naftos ekvivalento skystųjų angliavandenilių. Pietų Afrika ilgą laiką buvo vienintelė šalis pasaulyje, kurioje buvo plėtojamas CFT procesas. Tačiau po 1973 metų krizės pasaulinės naftos ir energetikos įmonės daugelyje šalių (ypač JAV ir Vokietijoje) pradėjo domėtis tiek sintetinio skystojo kuro, tiek gamtinių sintezės dujų gamyba.
Gamtinių sintezės dujų gamybai sukurta nemažai projektų, tačiau tik vienas iš jų sėkmingai įgyvendintas pramoniniu mastu. 1984 m. Great Plains Synfuels Plant (Dakotagas Company) Jungtinėse Valstijose pradėjo lignito metanavimo gamyklą, kuri iki šiol gamina sintetines gamtines dujas, tiekiamas į gamtinių dujų tinklą. Gamyklos paros pajėgumas – 3,9 mln. m3 SNG.
Taip pat verta prisiminti Sovietų Sąjungos patirtį, kai nuo XX amžiaus 2-ojo dešimtmečio pabaigos iki šeštojo dešimtmečio dujų generatoriai veikė naudojant medieną (malkas ir medžio anglį) bei durpes dujiniam variklių kurui gaminti. 1929 m. SSRS buvo pastatyta pirmoji didelė durpėmis veikianti dujų gamybos stotis, o vėlesniais metais didelėse įmonėse buvo pastatyta nemažai kitų panašių stočių. Medienos dujos daugiausia buvo naudojamos transporto kurui. Prasidėjus Vakarų Sibiro vystymuisi ir atradus didžiausius pasaulyje mėlynojo kuro telkinius, dujų gamyba SSRS, deja, buvo nepelnytai pamiršta.
Metano gamyba iš medienos
Dujofikuojant biomasė, kurios cheminė formulė CH n O m, pirmiausia paverčiama sintezės dujomis, susidedančiomis iš vandenilio ir anglies monoksido. Iš stechiometrinės bendrosios biomasės metanizacijos reakcijos lygties su sumos formule
CH 1,23 O 0,38 + 0,5025 H 2 O → 0,55875 CH 4 + 0,44125 C 2 O
iš to seka, kad į metano reaktorių turi būti tiekiamas vanduo arba vandens garai, iš jo turi būti pašalintas anglies dioksidas. Čia yra keletas variantų: arba CO 2, kaip ir pramoninėje sintezėje, pašalinamas iš sintezės dujų tiesiai iš metano reaktoriaus, arba, kaip ruošiant biodujas (fermentaciją), po metanizacijos proceso, jau iš nerafinuotų sintetinių gamtinių dujų. . Pirmojo metodo pranašumas prieš kitus yra tas, kad jau išgrynintos dujos patenka į metanavimo ciklą. Antrojo metodo privalumai yra tai, kad metano reaktorius gali veikti su vandens garų pertekliumi, o tai žymiai sumažina anglies susidarymą.
Šiose srityse darbai atliekami Paulo Scherrer institute (Šveicarija), kuris visų pirma dalyvavo rengiant Metano gamybos iš biomasės, naudojant naujas technologijas (kataliziškai aktyviuose sūkuriniuose sluoksniuose), programą pagal ES BioSNG. projektą. Ši technologija buvo pritaikyta Austrijos Gussing miesto šiluminėje elektrinėje. 2009 metais pradėta eksploatuoti metano sintezės jėgainė, kurios galia siekia 1 MW, veikia su medienos drožlėmis. Šiuo metu svarstomas 30 MW galios metano gamybos iš medienos projektas Geteborge, Švedijoje. Panašūs darbai atliekami Vokietijoje (Štutgartas, ZSW), Nyderlanduose (Energijos tyrimų centras, ECN) ir Graco technikos universiteto Šilumos inžinerijos institute (Austrija), bendradarbiaujant su įmone Agnion Pfaffenhofen an der Ilm. (Vokietija).
Metano sintezės iš biomasės efektyvumas
Gaminant metaną kiekvienoje proceso fazėje, kaip ir bet kuriame sintezės procese, nuostoliai yra neišvengiami. Vykstant egzoterminėms reakcijoms pašalinama šiluma, kurios energijos kiekis gatavame sintezės produkte negali būti didesnis už chemiškai surištą energiją sintezės proceso metu. Metanacijos atveju tai reiškia, kad tik maždaug 60 % energijos iš panaudotos biomasės pasilieka gatavame produkte – SNG.
Tačiau kadangi atmestos šilumos temperatūra yra aukšta nuo 200 iki 400 °C, ją galima naudoti vietoje. Dėl šios priežasties mažos metano sintezės gamyklos tampa ypač pelningos, nes galima 100% išspręsti perteklinės šilumos panaudojimo klausimą, pavyzdžiui, privačių namų ūkių, ūkių šildymui, naudojimui džiovinimo kompleksuose ir pan. Galima nenaudoti. tik dujofikavimo ir metanizacijos atliekinė šiluma, bet ir vandens garų kondensacijos šiluma nerafinuotose sintetinėse dujose, kuriose yra iki 50 % vandens garų. Bendras efektyvumas tokiu pilnutinai panaudojus šilumą ir parduodant susidariusias SNG į dujų tinklus ir dujų saugyklas yra beveik 95%. Tokių projektų atsipirkimo laikotarpis – vos keleri metai.
Atsižvelgiant į tai, kad gamtines dujas visada galima naudoti žymiai didesniu efektyvumu nei kietasis biomasės kuras, geriau naudoti metaną, gaunamą iš medienos, nei kūrenti kietąjį biokurą tiesiogiai. Priežastis: naudojant gamtines dujas elektrai gaminti dujų ar garo turbininėje elektrinėje gaunama iki 60 proc. elektros energijos, o deginant kietąjį kurą iš biomasės labai sunku įgyvendinti projektus, kurių elektros našumas viršija 30 proc. . Taip pat decentralizuotai gaminant elektros energiją iki 1 mW/h, kogeneracinės dujinės elektrinės, kuriose naudojamos sintezės dujos, yra efektyvesnės nei šiluminės elektrinės, kuriose naudojamas organinis ciklinis procesas (ORC-procesas) ir deginamas kietasis biokuras.
Tokių šiluminių elektrinių darbas pagrįstas didelės molekulinės masės darbinio skysčio (terminės alyvos, organinių garuojančių medžiagų) termodinaminio cirkuliacijos proceso (ORC – organinis ranginis ciklas) ciklų seka. Cirkuliacinis siurblys darbinį skystį pumpuoja į aukštos temperatūros organinio aušinimo skysčio šilumokaitį, kur jis išgaruoja. Skystieji garai varo turbiną, po to patenka į kitą šilumokaitį, kur atšaldomas vandeniu arba oru ir kondensuojasi. Kondensatas patenka į cirkuliacinio siurblio kolektorių ir termodinaminis ciklas (ORC) kartojasi. Nei aušinimo skystis, nei aušinimo skystis tiesiogiai nesiliečia su turbina ar darbiniu skysčiu. Taikant ORC procesą, šiluminės elektrinės pasiekia didelę galią, patikimą veikimą ir ekonomiškumą.
Netgi vien šiluminės energijos gamyba naudojant biometaną yra konkurencinga su įprastiniais šilumos gamybos būdais. Jeigu medienos metanavimo proceso atliekinė šiluma panaudojama vietoje (decentralizuotai) ir pagamintos dujos patenka į gamtinių dujų saugyklą, gaunamas bendras 93 % panaudojimo koeficientas, kurio nepasiekia, pavyzdžiui, šiluminės elektrinės medžio drožlių ar granulių (pačios stoties efektyvumas mažesnis ir papildomai atsiranda nuostolių šilumos tinkluose).
Didelės dujomis kūrenamos šiluminės elektrinės kartu su paruoštomis natūralios kokybės sintezinėmis dujomis kartu su gamtinėmis dujomis gali naudoti ir „neišgrynintas“ sintezės dujas, o tai žymiai sumažins gaminamos energijos sąnaudas.
Biomasės dujos ar iškastinės gamtinės dujos?
Sintetinės gamtinės dujos (SNG) yra išgrynintos sintetinės dujos, kurių charakteristikos yra identiškos gamtinėms dujoms.
Bendrovės „Agnion“ skaičiavimais, SNG gamybos iš medienos drožlių gamyklose iki 1 MW savikaina yra 8-10 euro centų/kWh.
Biometano gamybos sąnaudos yra panašios į iškastinių gamtinių dujų gavybos ir transportavimo išlaidas. Tačiau tokia produkcija šiuo metu yra nekonkurencinga. Viskas priklausys nuo pasaulinių naftos kainų. Jei žalios naftos kaina yra, pavyzdžiui, 100 USD už barelį, tai Vokietijoje pramoniniams klientams gamtinių dujų kaina siekia 5-6 euro centus/kWh. Privatiems namų ūkiams kaina bus didesnė – 8-10 euro centų/kWh. Ne kartą prognozavus daugiau nei 200 USD už barelį naftos kainą, gamtinės dujos net pramoniniams klientams nuolat kainuotų daugiau nei 10 euro centų/kWh. Esant tokiai sąlygai, SNG gamyba iš biomasės galėtų būti ekonomiškai pagrįsta net ir be subsidijų pagal AEI įstatymą. O Ukrainoje dabartinėmis kainomis sintezės dujos yra du kartus pigesnės nei gamtinės dujos. Jie kuria savo projektą, skirtą sintezės dujoms gaminti dujofikuojant pjuvenų, šiaudų, durpių ir anglies mišinį. Jo sudėtis: iki 25-30% metano, 30-35% anglies monoksido, o likę 6% azoto ir anglies dioksido.
Šiuo metu pasaulio energijos poreikiai sudaro apie 11–12 milijardų tonų kuro ekvivalento (ce) ir patenkinami 58–60 % naftos ir dujų. Kasmet atsinaujinančios augalų biomasės energijos ištekliai yra 25 kartus didesni už pagaminamos naftos kiekį. Šiuo metu sudeginta augalų biomasė sudaro apie 10% sunaudojamų energijos išteklių (apie 1 mlrd. tonų kuro ekvivalento), ateityje tikimasi reikšmingo biomasės panaudojimo išplėtimo jos perdirbimo produktų (skystas, kietas kuras) pavidalu. ir t.t.) ir, visų pirma, besikaupiančios ir skaidančios atliekos, teršiančios aplinką.
Didės naftos ir gamtinių dujų poreikis, o kartu bus tobulinami augalinės biomasės energetinio panaudojimo būdai (be tiesioginio deginimo). Be abejo, šioje nuostabioje bioenergijos ateityje aukščiau aprašytos technologijos bus paklausios visiškai kitokiu, pramoniniu lygmeniu. Bet kuriuo atveju noriu tuo tikėti.
Sergejus PEREDERIJUS,
EKO Holz-und Pellethandel GmbH,
Diuseldorfas, Vokietija
Chemikai sukūrė fotokatalizatorių vario oksido ir cinko oksido pagrindu, kuris leidžia anglies dioksidą paversti metanu, kai jis veikiamas saulės spindulių, o naudojant tokį katalizatorių visiškai išvengiama šalutinių produktų susidarymo. Tyrimas buvo paskelbtas m Gamtos komunikacijos.
Anglies dioksido kiekio padidėjimas atmosferoje vadinamas viena iš galimų visuotinio atšilimo priežasčių. Siekiant kažkaip sumažinti anglies dioksido kiekį, mokslininkai siūlo jį naudoti kaip cheminį šaltinį paverčiant kitomis anglies turinčiomis medžiagomis. Pavyzdžiui, neseniai atmosferos anglies dioksidas buvo sumažintas iki metanolio. Buvo daug bandymų sukurti veiksmingus metodus anglies dioksidui paversti angliavandenilių kuru. Paprastai tam naudojami titano (IV) oksido katalizatoriai, tačiau naudojant juos susidaro daug šalutinių produktų, ypač vandenilio.
Savo naujame darbe Korėjos chemikai pasiūlė naują fotokatalizatoriaus, susidedančio iš cinko oksido ir vario (I) oksido, konfigūraciją, kuri leidžia atmosferoje esantį anglies dioksidą dideliu efektyvumu redukuoti į metaną. Katalizatoriui gauti chemikai naudojo dviejų pakopų sintezę iš vario ir cinko acetilacetonatų. Dėl to pavyko gauti sferines cinko oksido nanodaleles, padengtas mažais kubiniais vario (I) oksido nanokristalais.
Katalizatorių nanodalelių sintezės schema
K.-L. Bae ir kt./Nature Communications, 2017 m
Paaiškėjo, kad tokios nanodalelės yra fotokatalizatoriai anglies dioksidui paversti metanu. Reakcija vyksta kambario temperatūroje, kai vandeninėje aplinkoje apšvitinama šviesa matomoje ir ultravioletinėje srityse. Tai reiškia, kad jis apima anglies dioksidą, anksčiau ištirpintą vandenyje. Katalizatoriaus aktyvumas buvo 1080 mikromolių per valandą 1 gramui katalizatoriaus. Metano koncentracija susidariusiame dujų mišinyje viršijo 99 procentus. Tokio didelio katalizatoriaus efektyvumo priežastis yra vario ir cinko oksidų juostos tarpų energijų santykis, dėl kurio efektyvesnis krūvio perdavimas tarp komponentų.
Medžiagų koncentracijos keitimas anglies dioksidą paverčiant metanu, naudojant siūlomą katalizatorių
K.-L. Bae ir kt./Nature Communications, 2017 m
Be to, mokslininkai palygino siūlomo katalizatoriaus savybes su efektyviausiu katalizatoriumi, kuris anksčiau buvo naudojamas anglies dioksido konversijai. Paaiškėjo, kad tos pačios masės katalizatorius per tą patį laiką leidžia pagaminti maždaug 15 kartų mažiau metano nei naujas. Be to, vandenilio kiekis gautame mišinyje yra maždaug 4 kartus didesnis nei metano kiekis.
Pasak mokslininkų, jų pasiūlytas katalizatorius gali būti naudojamas ne tik efektyviam anglies dioksido pavertimui metanu, bet ir informacijos apie tokių reakcijų mechanizmus, dalyvaujant fotokatalizatoriams, šaltinis.
Anglies dioksido kiekiui atmosferoje sumažinti naudojami ir kiti metodai. Pavyzdžiui, neseniai vienoje iš Islandijos elektrinių buvo modulis, fiksuojantis atmosferos anglies dioksidą.
Aleksandras Dubovas
Paskelbta: 2016-12-31 11:32Metano gamyba iš anglies dioksido yra procesas, kuriam reikalingos laboratorinės sąlygos. Taigi 2009 m. Pensilvanijos universitete (JAV) metanas buvo pagamintas iš vandens ir anglies dioksido, naudojant nanovamzdelius, sudarytus iš TiO 2 (titano dioksido) ir turinčius azoto priemaišą. Norėdami gauti metano, tyrėjai į metalinius konteinerius, uždarytus dangteliu su nanovamzdeliais, įdėjo vandenį (garų būseną) ir anglies dioksidą.
Metano gamybos procesas yra toks: veikiant Saulės šviesai, vamzdelių viduje atsirado dalelės, turinčios elektros krūvį. Tokios dalelės atskyrė vandens molekules į vandenilio jonus (H, kurie vėliau susijungia į vandenilio molekules H2) ir hidroksilo radikalus (-OH daleles). Be to, metano gamybos procese anglies dioksidas buvo padalintas į anglies monoksidą (CO) ir deguonį (O 2). Galiausiai anglies monoksidas reaguoja su vandeniliu, todėl susidaro vanduo ir metanas.
Atvirkštinė reakcija - anglies dioksidas susidaro dėl metano deformacijos garais - 700–1100 ° C temperatūroje ir 0,3–2,5 MPa slėgyje.
Laikui bėgant ekologiškos technologijos tampa vis populiaresnės. Šios savaitės pradžioje „LanzaTech“ paskelbė apie 15 tūkstančių litrų aviacinio kuro gamybą. Pasaulyje kasdien pagaminama kur kas daugiau kuro, tačiau šis ypatingas, jis gautas iš pramoninių Kinijos gamyklų dujinių teršalų. Degalai buvo perduoti Richardo Bransono įmonei „Virgin Atlantic“, o lėktuvas, kuris buvo pripildytas šių degalų, jau sėkmingai skrido.
Šią savaitę Šveicarijos įmonė „Climeworks“, perdirbanti atmosferos anglies dioksidą, paskelbė apie gamyklos Italijoje kūrimą, kuri sunaudos atmosferos CO2 ir gamins vandenilį. Pastarasis bus naudojamas metano gamybos cikle.
Gamykla jau pastatyta, sukurta liepos mėnesį, jos paleidimas (kol kas bandomuoju režimu) įvyko praėjusią savaitę. Akivaizdu, kad tokio tipo įmonė nėra pigi, o startuoliui būtų nelengva rasti lėšų tokiam projektui įgyvendinti. Europos Sąjunga rado pinigų ir finansavo projektą.
Tai jau trečioji įmonės gamykla, kurioje perdirbamas anglies dioksidas. Pirmoji įmonė nebuvo per didelė, greičiau buvo sukurta nedidelė instaliacija, kuri surenka CO2 iš atmosferos ir išleidžia į šiltnamius, kur augalai vystėsi greičiau dėl didėjančios anglies dvideginio koncentracijos. Antroji gamykla buvo pastatyta Islandijoje, kur ji paverčia CO2 iš dujinės būsenos į surištą. Dujos tiesiogine prasme „įpurškiamos“ į vulkaniškai aktyvių regionų litosferą (iš tikrųjų visa Islandija yra toks regionas), kur jos chemiškai susijungia su bazaltu.
Antrasis anglies dvideginio panaudojimo variantas yra gana sunkiai įgyvendinamas techniškai, todėl projekto įgyvendinimas buvo kiek problemiškas. Tačiau įmonės vadovybė teigė, kad įrenginiai veikė be gedimų per gana ilgą laiką. Verta atkreipti dėmesį į tai, kad antrosios gamyklos konstrukcija yra modulinė, ją galima išplėsti, taip padidinant gamyklos produktyvumą.
Kalbant apie trečiąjį pramonės įmonės variantą, jis dirbs ne visą parą, o tik 8 valandas per dieną. Jo tikslas – parodyti galimybę gaminti kurą „iš oro“. Akivaizdu, kad degant kurui išsiskirs reakcijos produktai, įskaitant anglies dioksidą. Tačiau gamykla vėl ir vėl surinks CO2, taip sukurdama „žmogaus sukeltą anglies dioksido ciklą“. Jei gamyba bus padidinta, padidės ir C02 suvartojimas bei degalų gamyba orlaiviams.
Iki šiol gamykloje įrengti trys oro kolektoriai, kurie, projekto vadovų teigimu, yra labai efektyvūs energijai – daugiau nei ankstesnės versijos. Gamykla, esant dabartiniam veikimo lygiui, per metus gali surinkti apie 150 tonų anglies dvideginio. Gamyklos įrengimas leidžia pagaminti maždaug 240 kubinių metrų vandenilio per valandą naudojant saulės baterijų generuojamą energiją.
Aviacinis kuras, gaminamas iš anglies dioksido
Toliau vandenilis sujungiamas su CO2 (jis taip pat išskiriamas iš atmosferos oro), naudojant katalizatorius. Šią operaciją atliekantį reaktorių sukūrė prancūzų kompanija „Atmostat“. Metanas išvalomas ir naudojamas pramonės reikmėms. Tada veikiant slėgiui jis paverčiamas skysčiu ir naudojamas pramoniniais tikslais.
Nors gamykla jau veikia, ji nėra ekonomiškai efektyvi. Deja, kelias į pelningumą yra ilgas. Kaip minėta aukščiau, gamyba gali „pašalinti“ tik apie 150 tonų anglies dioksido per metus. O metinis šios medžiagos į atmosferą kiekis yra 30–40 gigatonų, ir šis skaičius kasdien didėja.
Kaip ten bebūtų, gamyba vis dar veikia, o investuotojai akivaizdžiai domisi šia technologija – bendrovė neseniai uždarė dar vieną raundą, gaudama apie 30,8 mln.
„Climeworks“ – panašiais projektais užsiimanti įmonė, tokių startuolių pamažu daugėja, o tai leidžia tikėtis, kad ilgainiui įmonės pasieks kur kas didesnius anglies dvideginio suvartojimo kiekius.
Pramonėje pagrindiniai anglies dioksido CO2 gamybos būdai yra jo gamyba kaip šalutinis produktas, metano CH4 pavertimo vandeniliu H2, angliavandenilių degimo reakcijos (oksidacijos), kalkakmenio CaCO3 skilimo į kalkes CaO ir vandenį reakcija. H20.
CO2 kaip CH4 ir kitų angliavandenilių garų riformingo į vandenilį H2 šalutinis produktas
Vandenilio H2 reikia pramonei, visų pirma jį naudojant amoniako NH3 gamybos procese (Haber procesas, katalizinė vandenilio ir azoto reakcija); Amoniakas reikalingas mineralinių trąšų ir azoto rūgšties gamybai. Vandenilis gali būti gaminamas įvairiais būdais, įskaitant ekologų mėgstamą vandens elektrolizę, tačiau, deja, šiuo metu visi vandenilio gamybos būdai, išskyrus angliavandenilių reformavimą, yra absoliučiai ekonomiškai nepagrįsti didelio masto gamyba – nebent gamyboje yra „nemokamų“ medžiagų. Todėl pagrindinis vandenilio gamybos būdas, kurio metu išsiskiria ir anglies dioksidas, yra metano riformingas garais: apie 700...1100°C temperatūroje ir 3...25 barų slėgyje, dalyvaujant katalizatorius, vandens garai H2O reaguoja su metanu CH4, išskirdami sintezės dujas (procesas yra endoterminis, tai yra, jis vyksta sugeriant šilumą):
CH4 + H2O (+ šiluma) → CO + 3H2
Propanas gali būti reformuojamas garais panašiu būdu:
С3H8 + 3H2O (+ šiluma) → 2CO + 7H2
Taip pat etanolis (etilo alkoholis):
C2H5OH + H2O (+ šiluma) → 2CO + 4H2
Net benziną galima reformuoti garais. Benzino sudėtyje yra daugiau nei 100 skirtingų cheminių junginių, toliau pateiktos izooktano ir tolueno garų riformingo reakcijos:
C8H18 + 8H2O (+ šiluma) → 8CO + 17H2
C7H8 + 7H2O (+ šiluma) → 7CO + 11H2
Taigi, vieno ar kito angliavandenilio kuro riformingo garais procese gaunamas vandenilis ir anglies monoksidas CO (anglies monoksidas). Kitame vandenilio gamybos proceso etape anglies monoksidas, dalyvaujant katalizatoriui, vyksta deguonies atomo O perkėlimo iš vandens į dujas reakciją = CO oksiduojasi iki CO2, o vandenilis H2 išsiskiria laisvu pavidalu. Reakcija egzoterminė, išskiriant apie 40,4 kJ/mol šilumos:
CO + H2O → CO2 + H2 (+ šiluma)
Pramoninėje aplinkoje anglies dioksidas CO2, išsiskiriantis angliavandenilių riformingo garais metu, gali būti lengvai izoliuojamas ir surinktas. Tačiau CO2 šiuo atveju yra nepageidaujamas šalutinis produktas, jį tiesiog laisvai išleidžiantis į atmosferą, nors dabar vyraujantis būdas atsikratyti CO2, aplinkosaugos požiūriu yra nepageidaujamas, o kai kurios įmonės taiko „pažangesnius“ metodus. , pavyzdžiui, siurbiant CO2 į nykstančius naftos telkinius arba įpurškiant į vandenyną.
CO2 gamyba visiškai sudeginus angliavandenilių kurą
Deginant, tai yra, oksiduojant su pakankamu deguonies kiekiu, susidaro angliavandeniliai, tokie kaip metanas, propanas, benzinas, žibalas, dyzelinis kuras ir kt., Anglies dioksidas ir paprastai vanduo. Pavyzdžiui, CH4 metano degimo reakcija atrodo taip:
CH 4 + 2O 2 → CO 2 + 2H 2 O
CO2 kaip H2 gamybos šalutinis produktas dalinai oksiduojant kurą
Apie 95% pasaulyje pramoniniu būdu pagaminamo vandenilio gaunama taikant aukščiau aprašytą angliavandenilių kuro, pirmiausia CH4 metano, esančio gamtinėse dujose, riformingo garais metodą. Be garo riformingo, vandenilis gali būti gaunamas iš angliavandenilių kuro gana dideliu efektyvumu dalinės oksidacijos būdu, kai metanas ir kiti angliavandeniliai reaguoja su deguonies kiekiu, kurio nepakanka pilnam kurui sudeginti (atminkite, kad visiško kuro degimo procese deginant kurą, trumpai aprašyta aukščiau, gaunamas anglies dioksidas CO2 dujos ir H20 vanduo). Kai tiekiamas mažesnis nei stechiometrinis deguonies kiekis, reakcijos produktai daugiausia yra vandenilis H2 ir anglies monoksidas, taip pat žinomas kaip anglies monoksidas CO; anglies dioksido CO2 ir kai kurių kitų medžiagų susidaro nedideli kiekiai. Kadangi paprastai praktikoje šis procesas vyksta ne su išvalytu deguonimi, o su oru, tai tiek proceso įvestyje, tiek išėjime yra azoto, kuris nedalyvauja reakcijoje.
Dalinė oksidacija yra egzoterminis procesas, ty reakcija gamina šilumą. Dalinė oksidacija paprastai vyksta daug greičiau nei riformingas garais ir reikalauja mažesnio reaktoriaus tūrio. Kaip matyti iš toliau pateiktų reakcijų, dalinės oksidacijos metu iš pradžių susidaro mažiau vandenilio vienam kuro vienetui, nei susidaro garų riformingo proceso metu.
Metano CH4 dalinės oksidacijos reakcija:
CH 4 + ½O 2 → CO + H 2 (+ šiluma)
Propanas C3H8:
C 3 H 8 + 1½O 2 → 3CO + 4H 2 (+ šiluma)
Etilo alkoholis C2H5OH:
C 2 H 5 OH + ½O 2 → 2CO + 3H 2 (+ šiluma)
Dalinis benzino oksidavimas naudojant izooktaną ir tolueną iš daugiau nei šimto benzine esančių cheminių junginių:
C 8 H 18 + 4O 2 → 8CO + 9H 2 (+ šiluma)
C7H18 + 3½O2 → 7CO + 4H2 (+ šiluma)
Norint paversti CO į anglies dioksidą ir gaminti papildomai vandenilį, naudojama deguonies poslinkio reakcija vanduo → dujos, jau minėta garo riformingo proceso aprašyme:
CO + H 2 O → CO 2 + H 2 (+ mažas šilumos kiekis)
CO2 iš cukraus fermentacijos
Gaminant alkoholinius gėrimus ir kepinius iš mielinės tešlos, naudojamas cukrų – gliukozės, fruktozės, sacharozės ir kt. – fermentacijos procesas, susidarant etilo alkoholiui C2H5OH ir anglies dioksidui CO2. Pavyzdžiui, gliukozės C6H12O6 fermentacijos reakcija yra:
C6H12O6 → 2C2H5OH + 2CO2
O fruktozės C12H22O11 fermentacija atrodo taip:
C 12 H 22 O 11 + H 2 O → 4C 2 H 5 OH + 4CO 2
„Wittemann“ pagaminta įranga CO2 gamybai
Alkoholinių gėrimų gamyboje susidaręs alkoholis yra pageidaujamas ir netgi, galima sakyti, būtinas fermentacijos reakcijos produktas. Anglies dioksidas kartais išleidžiamas į atmosferą, o kartais paliekamas gėrime, kad jį gazuotų. Kepant duoną atsitinka priešingai: CO2 reikalingas burbulams, dėl kurių tešla pakils, susidaryti, o etilo alkoholis kepant beveik visiškai išgaruoja.
Daugelis įmonių, visų pirma distiliavimo gamyklos, kurioms CO 2 yra visiškai nereikalingas šalutinis produktas, yra sukūrusios jo surinkimą ir pardavimą. Dujos iš fermentacijos rezervuarų per spirito gaudykles tiekiamos į anglies dvideginio cechą, kur CO2 išvalomas, suskystinamas ir išpilstomas į butelius. Tiesą sakant, distiliavimo gamyklos yra pagrindiniai anglies dvideginio tiekėjai daugelyje regionų – daugeliui jų pardavimas anglies dioksidu jokiu būdu nėra paskutinis pajamų šaltinis.
Egzistuoja ištisa pramonė gaminant įrangą, skirtą gryno anglies dioksido atskyrimui alaus daryklose ir alkoholio gamyklose (Huppmann/GEA Brewery, Wittemann ir kt.), taip pat jos tiesioginę gamybą iš angliavandenilių kuro. Dujų tiekėjai, tokie kaip „Air Products“ ir „Air Liquide“, taip pat įrengia stoteles CO2 atskirti, o tada jį išvalo ir suskystina prieš pildami į balionus.
CO2 gaminant negesintas kalkes CaO iš CaCO3
Plačiai naudojamų negesintų kalkių CaO gamybos procese taip pat yra anglies dioksidas kaip šalutinis reakcijos produktas. Kalkakmenio CaCO3 skilimo reakcija yra endoterminė, reikalauja apie +850°C temperatūros ir atrodo taip:
CaCO3 → CaO + CO2
Jei kalkakmenis (ar kitas metalo karbonatas) reaguoja su rūgštimi, kaip vienas iš reakcijos produktų išsiskiria anglies dioksidas H2CO3. Pavyzdžiui, druskos rūgštis HCl reaguoja su kalkakmeniu (kalcio karbonatu) CaCO3 taip:
2HCl + CaCO 3 → CaCl 2 + H 2 CO 3
Anglies rūgštis yra labai nestabili, atmosferos sąlygomis greitai skyla į CO2 ir vandenį H2O.
