Получение CO2. Новый фотокатализатор превратит углекислый газ в метан без побочных продуктов Метан и парниковый эффект

Руководители Института индустриальных наук (Institute of Industrial Science) Токийского университета, Национального института науки и передовых технологий (National Institute of Advanced Industrial Science and Technology, AIST), компаний Hitachi Zosen Corp, JGC Corp и EX Research Institute Ltd 18 ноября 2016 года приняли решение об организации новой объединенной научно-исследовательской группы "CCR (carbon capture & reuse) Study Group". Эта группа займется разработкой крупномасштабных технологий, при помощи которых можно будет получать жидкое и газообразное топлив о, к примеру, метан, используя для этого атмосферный углекислый газ и водород, полученный путем электролиза при помощи энергии от экологически чистых возобновляемых источников.

В первую очередь эта группа займется исследованиями, направленными на увеличение эффективности использования энергии, получаемой из возобновляемых источников, эффективности технологий выделения углекислого газа из атмосферы и его дальнейшего использования и разработкой новых, более современных методов получения водорода из воды путем электролиза.

В основе будущих технологий будут лежать достаточно известные физические процессы и химические превращения, реализованные на современном технологическом уровне. Углекислый газ, попадающий в атмосферу при сжигании любого типа ископаемого топлива, будет реагировать с водородом. Этот водород будет получен методом электролиза, а требующаяся для этого энергия будет поступать исключительно из экологически чистых источников, в основном от солнечных и ветряных электростанций.

Данная технология рассматривается не только в качестве чистого источника жидкого и ископаемого топлива. Еще одной функцией такой технологии станет сохранение в виде топлива излишков энергии, получаемой от солнечных и ветряных электростанций в часы ее минимального потребления.

Группа CCR будет иметь дело со всеми существующими видами возобновляемых источников чистой энергии. Помимо этого, будут исследоваться и разрабатываться новые эффективные методы получения водорода, выделения углекислого газа и превращения его в топливо.

Работа над всеми исследуемыми и разрабатываемыми технологиями будет вестись с двух позиций. Первой позицией будет создание малогабаритных, возможно мобильных установок не очень большой мощности, которые смогут обеспечить газообразным метаном потребности некоей отдельной небольшой группы людей (децентрализованная модель). А вторым направлением станет разработка крупномасштабных производственных систем, которые будут иметь достаточно высокую мощность и которые могут быть включены в общую энергетическую сеть страны (централизованная модель).

Использование: получение углеводородов. Сущность: 10-80% водный раствор гетерополикислоты 2-18 ряда H 6 нагревают до температуры 70-140 o С, далее в раствор погружают свинцовую или медную пластину и выжидают 3-15 мин до начала процесса восстановления анионного комплекса 6- , после чего через раствор при давлении 700-800 мм рт.ст. пропускают газовую смесь с концентрацией углекислого газа не более 60 об.% и концентрацией кислорода не менее 5 об. % до получения метана или одного из насыщенных углеводородов. Технический результат: получение метана из углекислого газа в промышленных объемах.

Текст описания в факсимильном виде (см. графическую часть).

Формула изобретения

Способ получения метана и его производных, основным сырьем для которого является углекислый газ, отличающийся тем, что 10-80%-ный водный раствор гетерополикислоты 2-18 ряда H 6 нагревают до температуры 70-140С, далее в раствор погружают свинцовую или медную пластину и выжидают 3-15 мин до начала процесса восстановления анионного комплекса 6- , после чего через раствор при давлении 700-800 мм рт.ст. пропускают газовую смесь с концентрацией углекислого газа не более 60 об.% и концентрацией кислорода не менее 5 об.% до получения одного из насыщенных углеводородов.

Похожие патенты:

Изобретение относится к нефтехимии, в частности к способам очистки нефти, газоконденсата и нефтепродуктов, а также водонефтяных эмульсий от сероводорода и/или низкомолекулярных меркаптанов, и может быть использовано в нефтяной, газовой, нефтегазоперерабатывающей, нефтехимической и других отраслях промышленности

Изобретение относится к комплексной переработке пироконденсата высокотемпературного гомогенного пиролиза предельных углеводородов состава С3-С5

Изобретение относится к способам получения жидких углеводородных продуктов из газов, в частности из диоксида углерода, и может найти применение в нефтеперерабатывающей и нефтехимической отраслях промышленности

Изобретение относится к способу получения метана из атмосферного диоксида углерода. Способ характеризуется тем, что используют механическую смесь термически регенерируемого сорбента - поглотителя диоксида углерода, который представляет собой карбонат калия, закрепленный в порах диоксида титана, и имеет состав: мас%: K2CO3 - 1-40, TiO2 - остальное до 100, и фотокатализатора для процесса метанирования или восстановления выделяемого в процессе регенерации диоксида углерода состава: мас.%: Pt≈0,1-5 мас.%, CdS≈5-20 мас.%, TiO2 - остальное до 100, содержание фотокатализатора в смеси составляет 10-50 мас.%. Данный способ представляет собой энергоэффективный способ получения метана из диоксида углерода воздуха, использует альтернативную возобновляемую энергию для синтеза топлив. 4 з.п. ф-лы, 4 пр., 1 ил.

Изобретение относится к способу получения углеводородных продуктов, включающему стадии: (a) обеспечение синтез-газа, содержащего водород, монооксид углерода и диоксид углерода; (b) реакция превращения синтез-газа в оксигенатную смесь, содержащую метанол и диметиловый эфир, в присутствии одного или более катализаторов, которые совместно катализируют реакцию превращения водорода и монооксида углерода в оксигенаты, при давлении, по меньшей мере, 4 МПа; (c) извлечение со стадии (b) оксигенатной смеси, содержащей количества метанола, диметилового эфира, диоксида углерода и воды вместе с непрореагировавшим синтез-газом, и введение всего количества оксигенатной смеси без дополнительной обработки в стадию каталитического превращения оксигенатов (d); (d) реакция оксигенатной смеси в присутствии катализатора, который является активным в превращении оксигенатов в высшие углеводороды; (e) извлечение выходящего потока со стадии (d) и разделение выходящего потока на хвостовой газ, содержащий диоксид углерода, возникающий из синтез-газа, и доксид углерода, образованный на стадии (b), жидкую углеводородную фазу, содержащую полученные на стадии (d) высшие углеводороды, и жидкую водную фазу, где давление, применяемое на стадиях (c)-(e), является по существу таким же, как применяемое на стадии (b), причем часть хвостового газа, полученного на стадии (e), рециркулируют на стадию (d), а остальную часть хвостового газа отводят. Настоящий способ является способом в котором отсутствует рециркуляция непрореагировавшего синтез-газа на стадию синтеза оксигенатов и без охлаждения реакции превращения диметилового эфира в высшие углеводороды. 1 н.п., 5 з.п. ф-лы, 2 пр., 1 табл., 2 ил.

Настоящее изобретение предлагает способ производства этиленоксида, включающий: a. крекинг включающего этан исходного материала в зоне крекинга в условиях крекинга для получения олефинов, включая, по меньшей мере, этилен и водород; b. конверсию исходного оксигената в зоне конверсии оксигенатов в олефины (ОТО) для получения олефинов, включая, по меньшей мере, этилен; c. направление, по меньшей мере, части этилена, полученного на стадии (a) и/или (b), в зону окисления этилена вместе с исходным материалом, содержащим кислород, и окисление этилена для получения, по меньшей мере, этиленоксида и диоксида углерода; и в котором, по меньшей мере, часть исходного оксигената получают, направляя диоксид углерода, полученный на стадии (c), и исходный материал, содержащий водород, в зону синтеза оксигенатов и синтезируя оксигенаты, где исходный материал, содержащий водород, включает водород, полученный на стадии (a). В другом аспекте настоящее изобретение предлагает интегрированную систему для производства этиленоксида. Технический результат - разработка процесса получения этиленоксида и необязательно моноэтиленоксида путем интегрирования процессов крекинга этана и ОТО, позволяющего сократить выбросы диоксида углерода и количество синтез-газа, требуемого для синтеза оксигенатов. 2 н. и 13 з.п. ф-лы, 1 ил., 6 табл., 1 пр.

Изобретение относится к способу преобразования диоксида углерода в отходящем газе в природный газ с использованием избыточной энергии. Причем способ включает стадии, в которых: 1) выполняют трансформацию напряжения и выпрямление избыточной энергии, которая выработана из возобновляемого источника энергии, и которую затруднительно хранить или подключить к энергетическим сетям, направляют избыточную энергию в раствор электролита для электролиза воды в нем на Н2 и O2, и удаляют воду из Н2; 2) проводят очистку промышленного отходящего газа для отделения из него CO2, и очищают выделенный из него CO2; 3) подают Н2, генерированный на стадии 1), и CO2, отделенный на стадии 2), в оборудование для синтеза, включающее по меньшей мере два реактора со стационарным слоем, чтобы высокотемпературную газовую смесь с основными компонентами СН4 и водяным паром получить в результате высокоэкзотермической реакции метанирования между Н2 и CO2, причем первичный реактор со стационарным слоем сохраняют при температуре на входе 250-300°С, давлении реакции 3-4 МПа, и температуре на выходе 600-700°С; вторичный реактор со стационарным слоем сохраняют при температуре на входе 250-300°С, давлении реакции 3-4 МПа, и температуре на выходе 350-500°С; причем часть высокотемпературной газовой смеси из первичного реактора со стационарным слоем перепускают для охлаждения, удаления воды, сжатия и нагревания, и затем смешивают со свежими Н2 и CO2, чтобы транспортировать газовую смесь обратно в первичный реактор со стационарным слоем после того, как объемное содержания CO2 в ней составляет 6-8%; 4) используют высокотемпературную газовую смесь, генерированную на стадии 3), для проведения косвенного теплообмена с технологической водой для получения перегретого водяного пара; 5) подают перегретый водяной пар, полученный на стадии 4), в турбину для выработки электрической энергии, и возвращают электрическую энергию на стадию 1) для трансформации напряжения и выпрямления тока, и для электролиза воды; и 6) конденсируют и высушивают газовую смесь на стадии 4), охлажденную в результате теплообмена, до тех пор пока не будет получен природный газ с содержанием СН4 вплоть до стандартного. Также изобретение относится к устройству. Использование настоящего изобретения позволяет увеличить выход метанового газа. 2 н. и 9 з.п. ф-лы, 2 пр., 2 ил.

Изобретение относится к способу получения метанола из богатого диоксидом углерода потока в качестве первого сырьевого потока и богатого углеводородами потока в качестве второго сырьевого потока, а также к установке для его осуществления. Способ включает следующие стадии: подачу первого богатого диоксидом углерода сырьевого потока по меньшей мере к одной стадии метанизации и превращение первого сырьевого потока с водородом в условиях метанизации в богатый метаном поток, подачу богатого метаном потока по меньшей мере к одной стадии получения синтез-газа и превращение его вместе со вторым богатым углеводородами сырьевым потоком в поток синтез-газа, содержащий оксиды углерода и водород, в условиях получения синтез-газа, подачу потока синтез-газа к стадии синтеза метанола, встроенной в цикл синтеза, и превращение его в поток содержащего метанол продукта в условиях синтеза метанола, отделение метанола от потока содержащего метанол продукта и, факультативно, очистку метанола до потока конечного продукта метанола и выделение продувочного потока, содержащего оксиды углерода и водород, из установки синтеза метанола. Предлагаемое изобретение позволяет утилизировать парниковый газ диоксид углерода с получением метанола при использовании простой технологии. 2 н. и 13 з.п. ф-лы, 4 ил.

Способ получения метана и его производных, получение метана, получение в промышленности метана, получение метана из углекислого газа, методы получения метана

Муравьиная кислота , формула которой – HCOOH, представляет собой простейшую монокарбоновую кислоту. Как становится понятно из ее названия, источником ее обнаружения стали характерные выделения рыжих муравьев. Рассматриваемая кислота входит в состав ядовитого вещества, выделяемого жалящими муравьями. Также она ее содержит жгучая жидкость, которую образуют жалящие гусеницы шелкопряда.

Впервые раствор муравьиной кислоты был получен в ходе опытов известного английского ученого Джона Рея. В конце семнадцатого столетия он смешал в сосуде воду и рыжих лесных муравьев. Далее сосуд был нагрет до кипения, и через него пропущена струя горячего пара. Итогом эксперимента стало получение водного раствора, отличительной характеристикой которой являлась сильнокислая реакция.

Добиться получения чистой муравьиной кислоты удалось в середине восемнадцатого столетия Андреасу Сигизмунду Маргграфу. Безводная кислота, которая была получена немецким химиком Юстусом Либихом, считается наиболее простой и сильной карбоновой кислотой одновременно. Согласно современной номенклатуре, она носит название метановой кислоты и является чрезвычайно опасным соединением.

На сегодняшний день получение представленной кислоты осуществляется несколькими способами, включающими ряд последовательных этапов. Но доказано, что водород и углекислый газ способны превращаться в муравьиную кислоту и возвращаться в исходное состояние. Разработка данной теории велась немецкими учеными. Актуальность темы состояла в минимизации поступления углекислого газа в атмосферный воздух. Добиться такого результата позволяет его активное использование в качестве главного источника углерода для синтезирования органических веществ.

Инновационная методика, над которой работали немецкие специалисты, предполагает осуществление каталитического гидрирования с образованием муравьиной кислоты. Согласно ей, углекислый газ становится одновременно базовым материалом и растворителем для отделения конечного продукта, так как реакция проводится в сверхкритическом СО2. Благодаря указанному интегрированному подходу становится реальным одностадийное получение метановой кислоты.

Процесс гидрирования углекислого газа с образованием метановой кислоты на сегодняшний день относится к объектам активного исследования. Основная цель, которую преследуют ученые, – получение химических соединений из отходов, которые образуются вследствие сгорания ископаемого топлива. Помимо широкого распространения муравьиной кислоты в различных отраслях необходимо отметить ее участие в хранении водорода. Не исключено, что роль топлива для автотранспорта, оснащенного солнечными батареями, будет играть эта кислота, извлечь водород из которой позволяют каталитические реакции.

Образование метановой кислоты из углекислого газа путем гомогенного катализа является предметом изучения специалистов с 70-х годов двадцатого столетия. Главной трудностью считается смещение равновесия в сторону исходных веществ, которое наблюдается на стадии равновесной реакции. Чтобы решить возникшую проблему, требуется удаление муравьиной кислоты из состава реакционной смеси. Но на данный момент этого удастся достичь только при условии преобразования метановой кислоты в соль либо другое соединение. Следовательно, получить чистую кислоту можно лишь при наличии дополнительной стадии, заключающейся в разрушении данного вещества, что не позволяет достичь организации бесперебойного процесса образования муравьиной кислоты.

Однако все более популярной становится уникальная концепция, разработкой которой занимаются ученые из группы Уолтера Ляйтнера. Они предполагают, что интеграция стадий гидрирования углекислого газа и выделения продукта с их осуществлением в пределах одного аппарата дает возможность сделать процесс получения чистой метановой кислоты бесперебойным. Каким образом ученым удалось добиться максимальной эффективности? Причиной тому стало применение двухфазной системы, в которой подвижная фаза представлена сверхкритическим углекислым газом, стационарная фаза – ионной жидкостью, жидкой солью. Следует отметить, что ионная жидкость использовалась для растворения как катализатора, так и основания, призванного стабилизировать кислоту. Поступление потока углекислого газа в условиях, когда давление и температура превышают критические цифры, способствует удалению метановой кислоты из состава реакционной смеси. Немаловажно, что присутствие сверхкритического углекислого газа не приводит к растворению ионных жидкостей, катализатора, основания, обеспечивая максимальную чистоту получаемого вещества.

Получение метана из углекислого газа - процесс, требующий лабораторных условий. Так, в 2009 году, в Университете Пенсильвании (США) было произведено получение метана из воды и углекислого газа с помощью нанотрубок, состоящих из TiO 2 (диоксида титана) и содержащих примесь азота. Для получения метана исследователи произвели размещение воды (в парообразном состоянии) и углекислого газа внутри металлических контейнеров, закрытых крышкой с нанотрубками с внутренней стороны.

Процесс получения метана таков - под действием света Солнца внутри трубок возникали частицы, переносящие электрический заряд. Такие частицы разделяли молекулы воды на ионы водорода (Н, которые потом соединяются в молекулы водорода Н 2) и гидроксильные радикалы (частицы -ОН). Далее в процессе получения метана происходило расщепление углекислого газа на угарный газ (СО) и кислород (О 2). В конце угарный газ реагирует с водородом, результатом чего является получение воды и метана.

Обратная реакция - получение углекислого газа происходит в результате парового деформирования метана - при температуре в 700-1100оС и давлении 0,3-2,5Мпа.

До настоящего времени в мире имеется лишь несколько реализованных проектов введенных в эксплуатацию установок получения метана из древесины. Первые результаты позволяют надеяться на серьезный прорыв в этом направлении.

Формулы к статье «Метан из биомассы» смотрите в

Метан CH 4 − газ без цвета и запаха, который почти в два раза легче воздуха. Он образуется в природе в результате разложения без доступа воздуха остатков растительных и животных организмов. Поэтому он присутствует, например, в заболоченных водоемах и каменноугольных шахтах. В значительных количествах метан содержится в природном газе, который широко используется сейчас в качестве топлива в быту и на производстве.

Одна из самых быстро развивающихся сегодня технологий в области производства энергии из возобновляемых источников − это производство биометана анаэробной ферментации с последующей подачей его в сети, по которым потребителям доставляется природный газ. Вопреки высоким издержкам на производство биометана по такой технологии (8-10 евроцентов на 1 кВт.ч), число установок для его выработки непрерывно растет. В 2009 году на территории ФРГ находились в эксплуатации уже 23 классические (работающие на навозе) биогазовые установки с подачей газа в действующие газопроводы природного газа, еще 36 находятся в стадии строительства или планирования. Причной роста этого показателя является Закон о возобновляемой энергии (Erneuerbare Energien Gesetz − EEG), принятый в ФРГ в 2004 году, дополненный в 2009 году и позволяющий продавцам газа предлагать своим клиентам газ, полученный из регенеративных источников, и получать государственные субсидии на выработку электроэнергии из возобновляемых источников энергии (ВИЭ).

Первый в мире завод по производству газа SNG из древесины в
австрийском г. Гюссинг. На переднем плане узел получения метана

Биометан по классической и применяемой сейчас повсеместно схеме получают из растительных субстратов (например, кукурузы), навозной жижи свиных комплексов, навоза крупного рогатого скота, куриного помета и т. п. Такой метан из биомассы может быть получен путем ее анаэробного перегнивания (ферментации). При анаэробном перегнивании органические вещества (естественные отходы) разлагаются в отсутствие кислорода. Этот процесс протекает в три стадии с участием двух различных групп бактерий. На первой стадии сложные органические соединения (жирные кислоты, протеины, углеводы) в результате ферментационного гидролиза превращаются в более простые соединения. На второй стадии простые соединения подвергаются воздействию группы анаэробных (или кислотообразующих) бактерий, что приводит к образованию главным образом летучих жирных кислот. На третьей стадии органические кислоты под действием строго анаэробных (или метанообразующих) бактерий превращаются в диоксид углерода и метан. После этой стадии получается обогащенный метаном газ (биогаз), теплота сгорания которого 5340-6230 кКал/м 3 .

«Эрзацгаз» из твердой биомассы, такой как древесина, имеет существенное преимущество перед биогазом, полученным из навоза, помета: в распоряжении тех, кто занимается производством такого газа, внушительные объемы отходов лесопиления, лесозаготовок и деревообработки. Кроме того, на европейском рынке цены на отходы лесопиления и деревообработки в отличие от цен на сельскохозяйственные продукты, которые применяются для получения биогаза, колеблются гораздо меньше. Нельзя забывать и о том, что использование сельхозпродукции (зерна, кукурузы, рапса и т. п.) для получения биогаза ведет в конечном итоге к повышению цен на продуктовых рынках. Кроме того, отходящее в результате химической реакции тепло имеет более высокую температуру по сравнению с температурой отходящего тепла реакций ферментации в классических биогазовых установках. Отсюда следует, что тепловую энергию, высвобождающуюся при процессах метанирования древесины, можно с большей эффективностью использовать в региональном теплоснабжении. Немаловажно и то, что, в отличие от классических биогазовых установок, при работе установок для получения метана из древесины отсутствуют неприятные запахи. Кроме того, эти установки занимают намного меньше места, чем классические, и могут располагаться в черте городских агломератов.

Технологии

Результатом распространенного сегодня производства биометана из сельскохозяйственных субстратов способом брожения (анаэробной ферментации) является биометан, который преимущественно состоит из метана и двуокиси углерода. Затем биометан должен проходить специальную подготовку и доводку до качества природного газа путем отделения CO 2 . Потери тепла при ферментации лимитируют степень эффективности всей цепи процесса. КПД составляет 50-60%.

При производстве синтетического природного газа (Substitute Natural Gas − SNG) из углеродосодержащего твердого топлива, такого как уголь или биомасса (древесина), после тепловой газификации в первой стадии процесса получается так называемый синтетический газ, из которого после очистки от всевозможных примесей (в основном от двуокиси углерода и соединений серы и хлора) синтезируется метан. Этот экзотермический процесс происходит при температуре от 300 до 450 °C и давлении 1−5 бар в присутствии подходящего катализатора. При этом протекают следующие реакции:

Формулы смотрите в

В противоположность анаэробной ферментации при термической газификации биомассы достигается более высокий КПД, вследствие того что отходящее тепло при производстве SNG может всегда использоваться на месте.

В принципе получение метана из синтез--газа, а также из газовых смесей водорода (H 2) и окиси углерода (СО) − очень старая технология. Французский химик Поль Сабатье изобрел способ получения метана, названный его именем: реакция Сабатье или процесс Сабатье (фр. Sabatier--Reaktion). В 1912 году он получил за это Нобелевскую премию в области химии. Этот процесс представляет собой реакцию водорода с диоксидом углерода при повышенной температуре и давлении в присутствии никелевого катализатора для производства метана. В качестве более эффективного катализатора может применяться рутений с оксидом алюминия.

Процесс описывается следующей химической реакцией:

CO 2 + 4H 2 → CH 4 + 2H 2 O.

Так как обе реакции сильно экзотермические, без принятия особых мер для охлаждения реакторов или рециркуляции при нагреве до 600 °C происходило бы разрушение катализатора. Кроме того, при высокой температуре сдвигается термодинамическое равновесие H 2 и CO, так что достаточно высокого выхода метана можно достичь только при температуре ниже 300 °C.

Технология газификации была создана еще в 1800-е годы для производства синтетического газа, необходимого для освещения городов, а также используемого в качестве теплоносителя для бытовых и промышленных целей (металлургия, паровые машины и др.). Газификации подвергались как уголь, так и биомасса растений и продукты ее переработки (древесный уголь).

Использовать базовый процесс газификации угля для производства синтетических химических веществ и топлива начали с 1920-х годов в Институте Кайзера Вильгельма при исследовании угля в г. Мюльгейм--на--Руре (Германия). В этом институте Францем Фишером и Гансом Тропшом был изобретен способ получения синтез--газа (сингаза) для производства в Германии жидкого топлива из угля. Процесс Фишера − Тропша, или синтез Фишера − Тропша (СФТ), − это химическая реакция, протекающая в присутствии катализатора (железа, кобальта), при которой смесь монооксида углерода (CO) и водорода (H 2), то есть синтез--газ, преобразуется в различные жидкие углеводороды. Получаемые углеводороды очищают для получения целевого продукта − синтетической нефти. Углекислый газ и монооксид углерода образуются при частичном окислении угля или (и) древесного топлива.

Процесс Фишера − Тропша описывается следующим химическим уравнением:

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

Полученный после газификации угля или твердых углеродосодержащих отходов сингаз может быть напрямую использован в качестве топлива, без дальнейшего преобразования по процессу Фишера − Тропша. Таким образом, довольно легко совершить переход от газового топлива к жидкому. Во время Второй мировой войны в Германии синтез Фишера − Тропша был использован на восьми заводах для производства синтетического дизельного топлива (около 600 тыс. т в год). Проект полностью финансировался государством. После окончания Второй мировой войны в Германии все эти заводы были закрыты и частично вместе с технологией вывезены в счет репараций в США, а оттуда разошлись по всему миру. В то же время в Южно--Африканской Республике компания South African Synthetic Oil Ltd. (SASOL), используя немецкую технологию, приступила к получению синтетического топлива и по сегодняшний день на своих четырех заводах в ЮАР и на одном заводе в Катаре производит более 200 тыс. баррелей нефтяного эквивалента жидких углеводородов в год. ЮАР долгое время была единственной страной в мире, где велись разработки процесса СФТ. Но после кризиса 1973 года мировые нефтяные и энергетические компании многих стран (особенно США и Германии) начали проявлять интерес как к производству синтетического жидкого топлива, так и к получению природного синтез--газа.

Разрабатывался целый ряд проектов получения природного синтез--газа, но только один из них успешно реализован в промышленном масштабе. В 1984 году в США был запущен завод по метанированию бурого угля Great Plains Synfuels Plant (Dakotagas Company), который до сегодняшнего дня производит синтетический природный газ, подаваемый в сеть, по которой транспортируется природный газ. Суточная производительность завода − 3,9 млн м 3 SNG.

Уместно вспомнить и опыт Советского Союза, где с конца 1920--х до 1950--х годов работали газогенераторные установки, использующие древесину (дрова и древесный уголь) и торф с целью получения газо-образного моторного топлива. В 1929 году в СССР была построена первая крупная газогенераторная станция, работающая на торфе, а в последующие годы − ряд других таких же станций на крупных предприятиях. Для транспортного топлива в основном применялась газогенерация древесины. После начала освоения Западной Сибири и открытия крупнейших в мире месторождений голубого топлива газогенерацию в СССР, к сожалению, незаслуженно забыли.

Получение метана из древесины

При газификации биомасса с химической формулой CH n O m преобразуется сначала в синтез-газ, состоящий из водорода и окиси углерода. Из стехиометрического общего уравнения реакции метанирования биомассы с формулой сумм

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

следует, что вода или водяной пар должны подводиться в метан--реактор, а двуокись углерода выводиться из него. Здесь существует несколько вариантов: либо СО 2 , как в промышленном синтезе, удаляется из синтез--газа прямо из метан--реактора, либо, как и при подготовке биогаза (ферментации), после процесса метанирования, уже из нерафинированного синтетического природного газа. Преимущество первого способа перед остальными заключается в том, что на вход цикла метанирования поступает уже очищенный газ. Достоинства второго способа в том, что метан--реактор может работать с избытком водяного пара, что существенно уменьшает образование углерода.

Работы в этих направлениях ведутся в институте Пауля Шеррера (Швейцария), который, в частности, принимал участие в написании Программы получения метана из биомассы по новым технологиям (в каталитически активных вихревых слоях) в рамках проекта ЕС BioSNG. Эта технология была применена на практике на ТЭЦ австрийского г. Гюссинг (Gussing). Установка для синтеза метана, которая сдана в эксплуатацию в 2009 году, имеет мощность 1 мВт и работает на щепе. В настоящее время обсуждается реализация проекта по получению метана из древесины мощностью 30 МВт в шведском Гетеборге. Подобные работы ведутся в Германии (Штутгарт, фирма ZSW), Нидерландах (Центр исследований в энергетике, ECN) и в институте теплотехники Технического университета в г. Грац (Австрия) в сотрудничестве с фирмой Agnion в г. Пфаффенхофен--на--Ильме (ФРГ).

Эффективность синтеза метана из биомассы

При получении метана в каждой фазе процесса, как и в любом синтез--процессе, неизбежны потери. При протекании экзотермических реакций происходит отвод тепла, энергетическое содержание которого не может находиться в готовом продукте синтеза больше,чем химически связанная энергия при процессе синтеза. Для метанирования это значит, что только примерно 60% энергии используемой биомассы сохраняется в готовой продукции − SNG.

Но поскольку отводимое тепло имеет высокую температуру − от 200 до 400 °C, его можно использовать на месте. По этой причине небольшие установки синтеза метана становятся особенно доходными, так как можно решить вопрос использования отводимого тепла на 100%, например для отопления частных домовладений, фермерских хозяйств, применения в сушильных комплексах и т. п. Можно использовать не только отходящее тепло процессов газификации и метанирования, но и тепло конденсации водяного пара в нерафинированном сингазе, в составе которого содержится до 50% водяного пара. Общий КПД при таком полном использовании тепла и продажах полученного SNG в газовую сеть и газохранилища приближается к 95%. Окупаемость подобных проектов составляет всего несколько лет.

Вследствие того, что природный газ может использоваться всегда со значительно более высокой эффективностью, чем твердое топливо из биомассы, целесообразнее использовать метан, полученный из древесины, чем напрямую сжигать твердое биотопливо. Причина: при использовании природного газа для генерации электроэнергии на газо-- или паротурбинной электростанции получается до 60% электричества, а при сжигании твердого топлива из биомассы реализовать проекты с выходом электроэнергии свыше 30% очень сложно. Также при децентрализованной выработке электроэнергии до 1 мВт/ч когенерационные газовые электростанции на синтез--газе эффективнее ТЭС, использующих органический циклический процесс (ORC--процесс) и сжигающих твердое биотопливо.

Работа таких теплоэлектростанций основана на последовательности циклов термодинамического процесса циркуляции (ORС − organic rankine cycle) рабочей жидкости с высокой молекулярной массой (термомасло, органические испаряющиеся вещества). Циркуляционный насос закачивает рабочую жидкость в теплообменник высокотемпературного органического теплоносителя, где происходит ее испарение. Пары жидкости приводят в действие турбину, после чего попадают в следующий теплообменник, где они, охлаждаясь водой или воздухом, конденсируются. Конденсат попадает в сборник циркуляционного насоса, и термодинамический цикл (ORC) повторяется. Ни теплоноситель, ни охлаждающая жидкость не находятся в непосредственном контакте с турбиной или рабочей жидкостью. Посредством процесса ORC теплоэлектростанции достигают большой мощности, надежности работы и экономичности.

Даже производство только одной тепловой энергии при применении биометана конкурентоспособно с обычными способами получения тепла. Если отходящее тепло в процессе метанирования древесины используется на месте (децентрализованно), а произведенный газ поступает в газохранилище природного газа, получается общий коэффициент использования 93%, которого не достигают, к примеру, тепловые электростанции, использующие щепу или пеллеты (КПД самой станции ниже и дополнительно имеются потери в тепловых сетях).

Наряду с подготовленным синтез--газом, соответствующим по качеству природному, на крупных газовых ТЭЦ можно использовать и «неочищенный» синтез--газ для совместного сжигания с природным газом, что существенно понизит себестоимость вырабатываемой энергии.

Газ из биомассы или ископаемый природный газ?

Синтетический природный газ (SNG) − это очищенный синтетический газ, который по своим характеристикам идентичен природному газу.

По расчетам компании Agnion, себестоимость производства SNG из щепы в установках до 1 мВт составляет 8-10 евроцентов/кВт.ч.

Издержки производства биометана сравнимы с издержками при добыче и транспортировке ископаемого природного газа. Однако пока такое производство неконкурентоспособно. Все будет зависеть от мировых цен на нефть. Если цена сырой нефти, например, $100 за баррель, то в Германии для промышленных клиентов цена на природный газ − 5-6 евроцентов/кВт.ч. Для частных домовладений цена будет выше − 8-10 евроцентов/кВт.ч. При неоднократно прогнозируемой цене на нефть более $200 за баррель природный газ стоил бы даже для промышленных клиентов стабильно более 10 евроцентов/кВт.ч. При таком условии производство SNG из биомассы экономически могло бы быть рентабельными даже без субсидий согласно Закону о ВИЭ. А на Украине в нынешних ценах синтез--газ получается в два раза дешевле природного. Там разрабатывают свой проект получения синтез--газа путем газификации смеси из опилок, соломы, торфа и угля. Его состав: до 25-30% метана, 30-35% окиси углерода, а остальные 6% − азот и углекислый газ.

В настоящее время энергетические потребности мира составляют примерно 11-12 млрд т условного топлива (у. т.) и удовлетворяются за счет нефти и газа на 58-60%. Ресурсы ежегодно возобновляемой растительной биомассы энергетически в 25 раз превышают объемы добываемой нефти. Сейчас сжигаемая растительная биомасса составляет примерно 10% потребляемых энергоресурсов (примерно 1 млрд т у. т.), в будущем ожидается существенное расширение использования биомассы в виде продуктов ее переработки (жидкого, твердого топлива и др.) и в первую очередь отходов, которые скапливаются и разлагаются, загрязняя окружающую среду.

Потребность в нефти и природном газе будет увеличиваться, и одновременно будут совершенствоваться методы энергетического использования растительной биомассы (помимо ее прямого сжигания). Наверняка в этом прекрасном для биоэнергетики будущем вышеописанные технологии будут востребованы уже совсем на другом, индустриальном уровне. Во всяком случае, хочется в это верить.

Сергей ПЕРЕДЕРИЙ,
EKO Holz-und Pellethandel GmbH,
Дюссельдорф, Германия