Bagaimana untuk mendapatkan metana daripada karbon dioksida. Metana daripada biojisim. Menentukan isipadu yang diperlukan

Dari masa ke masa, teknologi hijau menjadi semakin popular. Awal minggu ini, LanzaTech mengumumkan pengeluaran kira-kira 15 ribu liter bahan api penerbangan. Dunia menghasilkan lebih banyak bahan api setiap hari, tetapi yang ini istimewa, ia diperoleh daripada pelepasan gas kilang perindustrian China. Bahan api itu telah dipindahkan ke Virgin Atlantic, syarikat Richard Branson, dan pesawat yang diisi dengan bahan api ini telah pun membuat penerbangan yang berjaya.

Minggu ini, syarikat Switzerland Climeworks, yang mengitar semula karbon dioksida atmosfera, mengumumkan penciptaan loji di Itali yang akan menggunakan CO2 dari atmosfera dan menghasilkan hidrogen. Yang terakhir akan digunakan dalam kitaran pengeluaran metana.

Kilang itu telah pun dibina, ia dicipta pada bulan Julai, pelancarannya (setakat ini dalam mod ujian) berlangsung minggu lepas. Adalah jelas bahawa perusahaan jenis ini tidak murah, dan bukan mudah bagi syarikat permulaan untuk mencari dana untuk melaksanakan projek sedemikian. Kesatuan Eropah menemui wang dan membiayai projek itu.

Ini adalah kilang ketiga memproses karbon dioksida syarikat. Perusahaan pertama tidak terlalu besar, sebaliknya, ia adalah mengenai mewujudkan pemasangan kecil yang menangkap CO2 dari atmosfera dan melepaskannya ke dalam rumah hijau, di mana tumbuhan berkembang lebih cepat akibat peningkatan kepekatan karbon dioksida. Loji kedua dibina di Iceland, di mana ia menukar CO2 daripada keadaan gas kepada keadaan terikat. Gas itu secara literal "disuntik" ke dalam litosfera kawasan aktif gunung berapi (semua Iceland, sebenarnya, adalah wilayah sedemikian), di mana ia secara kimia mengikat dengan basalt.

Pilihan kedua untuk penggunaan karbon dioksida agak sukar untuk dilaksanakan secara teknikal, jadi pelaksanaan projek itu agak bermasalah. Walau bagaimanapun, pengurusan syarikat menyatakan bahawa pemasangan telah beroperasi secara berterusan tanpa kegagalan; "tiada satu rehat pun" telah diperhatikan dalam tempoh yang agak lama. Perlu diingat bahawa reka bentuk kilang kedua adalah modular, ia boleh diperluaskan, sekali gus meningkatkan produktiviti tumbuhan.

Bagi pilihan ketiga perusahaan perindustrian, ia tidak akan berfungsi sepanjang masa, tetapi hanya 8 jam sehari. Matlamatnya adalah untuk menunjukkan kemungkinan menghasilkan bahan api "daripada udara nipis." Adalah jelas bahawa apabila bahan api terbakar, ia akan mengeluarkan produk tindak balas, termasuk karbon dioksida. Tetapi kilang itu akan menangkap CO2 lagi dan lagi, sekali gus mewujudkan "kitaran karbon dioksida buatan manusia." Jika pengeluaran dipertingkatkan, penggunaan C02 dan pengeluaran bahan api untuk pesawat juga akan meningkat dalam jumlah.

Setakat ini, pemasangan loji itu termasuk tiga pengumpul udara, yang menurut ketua projek adalah sangat cekap tenaga—lebih daripada versi sebelumnya. Setiap tahun, loji itu, dengan jumlah kerja semasa, boleh mengumpul kira-kira 150 tan karbon dioksida. Pemasangan loji itu membolehkan pengeluaran kira-kira 240 meter padu hidrogen sejam menggunakan tenaga yang dijana oleh panel solar.

Bahan api penerbangan yang dihasilkan daripada karbon dioksida

Seterusnya, hidrogen digabungkan dengan CO2 (ia juga diasingkan daripada udara atmosfera) menggunakan pemangkin. Reaktor yang menjalankan operasi ini telah dibangunkan oleh syarikat Perancis Atmostat. Metana ditulenkan dan digunakan untuk keperluan industri. Ia kemudiannya ditukar kepada cecair di bawah tekanan dan digunakan untuk tujuan perindustrian.

Walaupun kilang itu sudah beroperasi, ia tidak cekap dari segi ekonomi. Malangnya, laluan ke arah keuntungan adalah panjang. Seperti yang dinyatakan di atas, pengeluaran boleh "mengeluarkan" hanya kira-kira 150 tan karbon dioksida setahun. Dan jumlah tahunan pelepasan bahan ini ke atmosfera adalah 30-40 gigaton, dan angka ini meningkat setiap hari.

Walau apa pun, pengeluaran masih beroperasi, dan pelabur jelas berminat dengan teknologi ini - syarikat itu baru-baru ini menutup pusingan lain, menerima kira-kira $30.8 juta.

Climeworks ialah sebuah syarikat yang terlibat dalam projek yang serupa; bilangan syarikat pemula tersebut semakin meningkat secara beransur-ansur, yang memberi harapan bahawa akhirnya syarikat akan mencapai jumlah penggunaan karbon dioksida yang lebih besar.

Pemimpin Institut Sains Perindustrian Universiti Tokyo, Institut Sains dan Teknologi Perindustrian Termaju (AIST), Hitachi Zosen Corp, JGC Corp dan EX Research Institute Ltd membuat keputusan pada 18 November 2016 mengenai penganjuran kumpulan penyelidikan bersama baharu "CCR (carbon capture & reuse) Study Group". Kumpulan ini akan membangunkan teknologi berskala besar yang boleh menghasilkan bahan api cecair dan gas, seperti metana, menggunakan karbon dioksida atmosfera dan hidrogen yang dihasilkan oleh elektrolisis menggunakan tenaga daripada sumber yang bersih dan boleh diperbaharui.

Pertama sekali, kumpulan ini akan melibatkan diri dalam penyelidikan yang bertujuan untuk meningkatkan kecekapan penggunaan tenaga yang diperoleh daripada sumber boleh diperbaharui, kecekapan teknologi untuk memisahkan karbon dioksida daripada atmosfera dan penggunaan selanjutnya, dan membangunkan kaedah baharu yang lebih moden untuk menghasilkan hidrogen daripada air melalui elektrolisis.

Teknologi masa depan akan berdasarkan proses fizikal dan transformasi kimia yang agak terkenal yang dilaksanakan pada peringkat teknologi moden. Karbon dioksida yang dibebaskan ke atmosfera dengan membakar sebarang jenis bahan api fosil akan bertindak balas dengan hidrogen. Hidrogen ini akan dihasilkan melalui elektrolisis, dan tenaga yang diperlukan untuk ini akan datang secara eksklusif daripada sumber mesra alam, terutamanya daripada loji kuasa solar dan angin.

Teknologi ini dianggap bukan sahaja sebagai sumber cecair dan bahan api fosil yang bersih. Satu lagi fungsi teknologi ini adalah untuk menyimpan lebihan tenaga yang diterima daripada loji tenaga solar dan angin dalam bentuk bahan api pada jam penggunaan minimumnya.

Kumpulan CCR akan berurusan dengan semua jenis sumber tenaga bersih boleh diperbaharui sedia ada. Di samping itu, kaedah baru yang berkesan untuk menghasilkan hidrogen, mengasingkan karbon dioksida dan menukarkannya kepada bahan api akan dikaji dan dibangunkan.

Usaha ke atas semua teknologi yang sedang dikaji dan dibangunkan akan dijalankan dari dua perspektif. Kedudukan pertama ialah penciptaan pemasangan bersaiz kecil, mungkin mudah alih dengan kuasa yang tidak terlalu tinggi, yang boleh membekalkan gas metana kepada keperluan sekumpulan kecil orang tertentu (model terdesentralisasi). Dan hala tuju kedua ialah pembangunan sistem pengeluaran berskala besar yang akan mempunyai kuasa yang cukup tinggi dan yang boleh dimasukkan ke dalam rangkaian tenaga keseluruhan negara (model terpusat).

, gas meletup, kesan rumah hijau

Gas letupan ini sering dipanggil "gas paya." Semua orang tahu bau khususnya, tetapi sebenarnya ini adalah bahan tambahan khas "dengan bau gas" yang ditambah untuk mengenalinya. Apabila dibakar, ia hampir tidak meninggalkan produk berbahaya. Antara lain, gas ini terlibat secara aktif dalam pembentukan kesan rumah hijau yang terkenal.

Gas yang biasanya dikaitkan dengan organisma hidup. Apabila metana ditemui di atmosfera Marikh dan Titan, saintis mula berharap bahawa kehidupan wujud di planet-planet ini. Terdapat sedikit metana di Planet Merah, tetapi Titan secara literal "dibanjiri" dengannya. Dan jika bukan untuk Titan, maka untuk Marikh, sumber biologi metana berkemungkinan besar seperti sumber geologi. Terdapat banyak metana di planet-planet gergasi - Musytari, Zuhal, Uranus dan Neptun, di mana ia timbul sebagai produk pemprosesan kimia bahan dari nebula protosolar. Di Bumi ia jarang berlaku: kandungannya di atmosfera planet kita hanya 1750 bahagian per bilion mengikut volum (ppbv).

Sumber dan pengeluaran metana

Metana ialah hidrokarbon termudah, gas tidak berwarna dan tidak berbau. Formula kimianya ialah CH 4. Sedikit larut dalam air, lebih ringan daripada udara. Apabila digunakan dalam kehidupan seharian dan industri, pewangi dengan "bau gas" tertentu biasanya ditambah kepada metana. Komponen utama semula jadi (77-99%), petroleum yang berkaitan (31-90%), lombong dan gas paya (oleh itu nama lain untuk metana - paya atau gas lombong).

90–95% metana adalah berasal dari biologi. Hewan berkuku herbivor seperti lembu dan kambing mengeluarkan satu perlima daripada pelepasan metana tahunan daripada bakteria dalam perut mereka. Sumber penting lain termasuk anai-anai, padi, paya, penapisan gas asli (hasil kehidupan lampau), dan fotosintesis tumbuhan. Gunung berapi menyumbang kurang daripada 0.2% kepada keseimbangan keseluruhan metana di Bumi, tetapi sumber gas ini juga boleh menjadi organisma zaman lampau. Pelepasan metana industri adalah tidak penting. Oleh itu, penemuan metana di planet seperti Bumi menunjukkan kehadiran kehidupan di sana.

Metana terbentuk semasa pemprosesan terma minyak dan produk petroleum (10-57% mengikut isipadu), coking dan hidrogenasi arang batu (24-34%). Kaedah penyediaan makmal: gabungan natrium asetat dengan alkali, tindakan air pada metil magnesium iodida atau aluminium karbida.

Di makmal, ia disediakan dengan memanaskan kapur soda (campuran natrium dan kalium hidroksida) atau natrium hidroksida kontang dengan asid asetik. Ketiadaan air adalah penting untuk tindak balas ini, itulah sebabnya natrium hidroksida digunakan, kerana ia kurang higroskopik.

Sifat metana

Pembakaran bahan letupan merebak pada kelajuan 500-700 m/saat; tekanan gas semasa letupan dalam isipadu tertutup ialah 1 Mn/m 2 . Selepas bersentuhan dengan sumber haba, pencucuhan metana berlaku dengan sedikit kelewatan. Penciptaan bahan letupan keselamatan dan peralatan elektrik kalis letupan adalah berdasarkan harta ini. Di tapak yang berbahaya kerana kehadiran metana (terutamanya lombong arang batu), yang dipanggil. mod gas.

Pada 150-200 °C dan tekanan 30-90 atm, metana dioksidakan kepada asid formik.

Metana membentuk sebatian inklusi - hidrat gas, yang meluas dalam alam semula jadi.

Penggunaan metana

Metana ialah hidrokarbon tepu yang paling stabil dari segi haba. Ia digunakan secara meluas sebagai bahan api isi rumah dan industri Dan bagaimana bahan mentah untuk industri. Oleh itu, pengklorinan metana menghasilkan metil klorida, metilena klorida, kloroform, dan karbon tetraklorida.

Dengan pembakaran metana yang tidak lengkap kita dapat jelaga, semasa pengoksidaan pemangkin - formaldehid, apabila berinteraksi dengan sulfur - karbon disulfida.

Keretakan haba-oksidatif Dan keretakan elektrik metana - kaedah perindustrian yang penting untuk menghasilkan asetilena.

Pengoksidaan katalitik campuran metana dan ammonia mendasari pengeluaran perindustrian asid hidrosianik. Metana digunakan sebagai sumber hidrogen dalam pengeluaran ammonia, serta untuk pengeluaran gas air (yang dipanggil gas sintesis): CH 4 + H 2 O → CO + 3H 2, digunakan untuk sintesis industri hidrokarbon, alkohol, aldehid, dsb. terbitan penting metana ialah nitrometana.

Bahan api automotif

Metana digunakan secara meluas sebagai bahan api motor untuk kereta. Walau bagaimanapun, ketumpatan metana semula jadi adalah seribu kali lebih rendah daripada ketumpatan petrol. Oleh itu, jika anda mengisi kereta dengan metana pada tekanan atmosfera, maka untuk jumlah bahan api yang sama dengan petrol anda memerlukan tangki 1000 kali lebih besar. Agar tidak membawa treler besar dengan bahan api, adalah perlu untuk meningkatkan ketumpatan gas. Ini boleh dicapai dengan memampatkan metana kepada 20-25 MPa (200-250 atmosfera). Untuk menyimpan gas di negeri ini, silinder khas digunakan yang dipasang pada kereta.

Metana dan kesan rumah hijau

Metana ialah gas rumah hijau. Jika tahap kesan karbon dioksida terhadap iklim secara konvensional diambil sebagai satu, maka aktiviti rumah hijau metana akan menjadi 23 unit. Tahap metana di atmosfera telah meningkat dengan sangat pesat sejak dua abad yang lalu.

Kini purata kandungan metana CH 4 dalam atmosfera moden dianggarkan sebagai 1.8 ppm ( bahagian per juta, bahagian per juta). Dan, walaupun ini adalah 200 kali lebih rendah daripada kandungan karbon dioksida (CO 2), setiap satu molekul gas, kesan rumah hijau metana - iaitu, sumbangannya kepada pelesapan dan pengekalan haba yang dipancarkan oleh Bumi yang dipanaskan matahari - adalah jauh lebih tinggi daripada CO 2. Di samping itu, metana menyerap sinaran Bumi dalam "tingkap" spektrum yang telus kepada gas rumah hijau lain. Tanpa gas rumah hijau - CO 2, wap air, metana dan beberapa kekotoran lain, suhu purata di permukaan Bumi hanya -23°C, tetapi kini kira-kira +15°C.

Metana meresap keluar di dasar lautan melalui retakan di kerak bumi dan dibebaskan dalam kuantiti yang banyak semasa perlombongan dan apabila hutan dibakar. Baru-baru ini, sumber metana yang baru dan tidak dijangka telah ditemui - tumbuhan yang lebih tinggi, tetapi mekanisme pembentukan dan kepentingan proses ini untuk tumbuhan itu sendiri masih belum dijelaskan.

Metana di Bumi

Tidak jauh dari Santa Barbara, metana, gas rumah hijau aktif, dibebaskan dalam jumlah besar dalam bentuk buih dari dasar laut.

Metana amat berbahaya semasa operasi perlombongan

Metana bukannya petrol? Dengan mudah

Apabila metana ditemui di atmosfera Marikh, saintis mempunyai harapan untuk menemui jejak kehidupan di planet ini

Menghasilkan metana daripada karbon dioksida adalah satu proses yang memerlukan keadaan makmal. Oleh itu, pada tahun 2009, di University of Pennsylvania (USA), metana dihasilkan daripada air dan karbon dioksida menggunakan tiub nano yang terdiri daripada TiO 2 (titanium dioksida) dan mengandungi kekotoran nitrogen. Untuk mendapatkan metana, para penyelidik meletakkan air (dalam keadaan wap) dan karbon dioksida di dalam bekas logam yang ditutup dengan penutup dengan tiub nano di bahagian dalam.

Proses menghasilkan metana adalah seperti berikut: di bawah pengaruh cahaya Matahari, zarah yang membawa cas elektrik muncul di dalam tiub. Zarah tersebut memisahkan molekul air kepada ion hidrogen (H, yang kemudiannya bergabung menjadi molekul hidrogen H2) dan radikal hidroksil (zarah-OH). Seterusnya, dalam proses menghasilkan metana, karbon dioksida telah dipecahkan kepada karbon monoksida (CO) dan oksigen (O 2). Akhirnya, karbon monoksida bertindak balas dengan hidrogen, menghasilkan air dan metana.

Tindak balas terbalik - pengeluaran karbon dioksida berlaku akibat ubah bentuk wap metana - pada suhu 700-1100 ° C dan tekanan 0.3-2.5 MPa.

Sehingga kini, hanya terdapat beberapa projek yang telah siap dalam dunia pemasangan yang ditauliahkan untuk menghasilkan metana daripada kayu. Keputusan pertama membolehkan kami mengharapkan kejayaan yang serius ke arah ini.

Untuk formula untuk artikel "Metana daripada biojisim" lihat

Metana CH4 ialah gas tidak berwarna dan tidak berbau yang hampir dua kali lebih ringan daripada udara. Ia terbentuk secara semula jadi hasil daripada penguraian tanpa akses udara sisa-sisa organisma tumbuhan dan haiwan. Inilah sebabnya mengapa ia hadir, sebagai contoh, di tanah lembap dan lombong arang batu. Metana terkandung dalam kuantiti yang banyak dalam gas asli, yang kini digunakan secara meluas sebagai bahan api dalam kehidupan seharian dan dalam industri.

Salah satu teknologi yang paling pesat berkembang dalam bidang pengeluaran tenaga daripada sumber boleh diperbaharui hari ini ialah pengeluaran biometana melalui penapaian anaerobik dan bekalan seterusnya kepada rangkaian yang melaluinya gas asli dihantar kepada pengguna. Walaupun kos yang tinggi untuk menghasilkan biometana menggunakan teknologi ini (8-10 euro sen setiap 1 kWj), bilangan pemasangan untuk pengeluarannya sentiasa meningkat. Pada tahun 2009, 23 loji biogas klasik (bahan api baja) yang menyalurkan gas ke saluran paip gas asli sedia ada telah pun beroperasi di Jerman, dan 36 lagi sedang dalam pembinaan atau perancangan. Sebab pertumbuhan penunjuk ini adalah Undang-undang Tenaga Boleh Diperbaharui (Erneuerbare Energien Gesetz - EEG), yang diterima pakai di Jerman pada tahun 2004, dipinda pada tahun 2009 dan membenarkan penjual gas menawarkan pelanggan mereka gas yang diperoleh daripada sumber regeneratif dan menerima subsidi kerajaan untuk menjana elektrik daripada sumber tenaga boleh diperbaharui (RES).

Loji pertama di dunia yang menghasilkan gas SNG daripada kayu di
Bandar Güssing di Austria. Di latar depan ialah unit pengeluaran metana

Biometana, mengikut skema klasik dan kini digunakan secara meluas, diperoleh daripada substrat tumbuhan (contohnya, jagung), buburan kompleks babi, baja lembu, najis ayam, dan lain-lain. Metana daripada biojisim tersebut boleh diperolehi melalui penguraian anaerobiknya (penapaian). ). Dalam pencernaan anaerobik, bahan organik (sisa semula jadi) terurai tanpa kehadiran oksigen. Proses ini berlaku dalam tiga peringkat yang melibatkan dua kumpulan bakteria yang berbeza. Pada peringkat pertama, sebatian organik kompleks (asid lemak, protein, karbohidrat) ditukar kepada sebatian yang lebih ringkas hasil daripada hidrolisis enzimatik. Pada peringkat kedua, sebatian ringkas terdedah kepada sekumpulan bakteria anaerobik (atau pembentuk asid), mengakibatkan pembentukan asid lemak yang meruap terutamanya. Pada peringkat ketiga, asid organik ditukar kepada karbon dioksida dan metana melalui tindakan bakteria anaerobik (atau pembentuk metana). Selepas peringkat ini, gas diperkaya metana (biogas) diperolehi, nilai kalorinya ialah 5340-6230 kcal/m 3 .

“Ersatzgas” daripada biojisim pepejal, seperti kayu, mempunyai kelebihan yang ketara berbanding biogas yang diperoleh daripada baja dan sampah: mereka yang terlibat dalam pengeluaran gas tersebut mempunyai jumlah sisa yang mengagumkan daripada pengilangan papan, pembalakan dan pemprosesan kayu. Di samping itu, di pasaran Eropah, harga untuk kilang papan dan sisa pemprosesan kayu, berbeza dengan harga produk pertanian yang digunakan untuk menghasilkan biogas, turun naik jauh lebih rendah. Kita tidak boleh lupa bahawa penggunaan produk pertanian (bijirin, jagung, biji sesawi, dll.) untuk menghasilkan biogas akhirnya membawa kepada harga yang lebih tinggi dalam pasaran makanan. Selain itu, haba buangan daripada tindak balas kimia mempunyai suhu yang lebih tinggi berbanding suhu haba buangan daripada tindak balas penapaian dalam loji biogas klasik. Ia berikutan bahawa tenaga haba yang dikeluarkan semasa proses metana kayu boleh digunakan dengan lebih cekap dalam bekalan haba serantau. Ia juga penting bahawa, tidak seperti loji biogas klasik, tiada bau yang tidak menyenangkan semasa mengendalikan loji untuk menghasilkan metana daripada kayu. Di samping itu, pemasangan ini mengambil lebih sedikit ruang daripada yang klasik dan boleh ditempatkan di dalam aglomerat bandar.

Teknologi

Hasil daripada pengeluaran meluas biometana daripada substrat pertanian melalui penapaian (penapaian anaerobik) hari ini ialah biometana, yang kebanyakannya terdiri daripada metana dan karbon dioksida. Kemudian biometana mesti menjalani penyediaan dan pemurnian khas kepada kualiti gas asli dengan mengasingkan CO 2 . Kehilangan haba semasa penapaian mengehadkan kecekapan keseluruhan rantaian proses. Kecekapan adalah 50-60%.

Dalam pengeluaran gas asli sintetik (Gas Asli Pengganti - SNG) daripada bahan api pepejal yang mengandungi karbon seperti arang batu atau biojisim (kayu), selepas pengegasan terma pada peringkat pertama proses, gas sintetik yang dipanggil diperolehi, daripada yang, selepas penulenan daripada semua jenis kekotoran (terutamanya daripada sebatian karbon dioksida dan sulfur dan klorin) metana disintesis. Proses eksotermik ini berlaku pada suhu antara 300 dan 450 °C dan tekanan 1−5 bar dengan kehadiran mangkin yang sesuai. Dalam kes ini, tindak balas berikut berlaku:

Lihat formula dalam

Berbeza dengan penapaian anaerobik, pengegasan biojisim terma mencapai kecekapan yang lebih tinggi kerana sisa haba daripada pengeluaran SNG sentiasa boleh digunakan di tapak.

Pada dasarnya, menghasilkan metana daripada gas sintesis, serta daripada campuran gas hidrogen (H 2) dan karbon monoksida (CO) adalah teknologi yang sangat lama. Ahli kimia Perancis Paul Sabatier mencipta kaedah untuk menghasilkan metana, dinamakan sempena namanya: reaksi Sabatier atau proses Sabatier (Bahasa Perancis: Sabatier--Reaktion). Pada tahun 1912 beliau menerima Hadiah Nobel dalam Kimia untuk ini. Proses ini melibatkan tindak balas hidrogen dengan karbon dioksida pada suhu dan tekanan tinggi dengan kehadiran mangkin nikel untuk menghasilkan metana. Rutenium dengan aluminium oksida boleh digunakan sebagai pemangkin yang lebih berkesan.

Proses ini diterangkan oleh tindak balas kimia berikut:

CO 2 + 4H 2 → CH 4 + 2H 2 O.

Oleh kerana kedua-dua tindak balas adalah sangat eksotermik, tanpa langkah khas untuk menyejukkan reaktor atau mengedarkan semula mangkin akan merosot apabila dipanaskan hingga 600 °C. Di samping itu, pada suhu tinggi keseimbangan termodinamik H 2 dan CO berubah, supaya hasil metana yang cukup tinggi hanya boleh dicapai pada suhu di bawah 300 °C.

Teknologi pengegasan telah dicipta pada tahun 1800-an untuk menghasilkan gas sintetik, yang diperlukan untuk pencahayaan bandar, dan juga digunakan sebagai penyejuk untuk tujuan domestik dan perindustrian (metalurgi, enjin wap, dll.). Kedua-dua biojisim arang batu dan tumbuhan serta produk diprosesnya (arang) tertakluk kepada pengegasan.

Penggunaan proses asas pengegasan arang batu untuk menghasilkan bahan kimia dan bahan api sintetik bermula pada tahun 1920-an di Institut Kaiser Wilhelm untuk penyelidikan arang batu di Mülheim an der Ruhr (Jerman). Di institut ini, Franz Fischer dan Hans Tropsch mencipta kaedah untuk menghasilkan gas sintesis (syngas) untuk pengeluaran bahan api cecair daripada arang batu di Jerman. Proses Fischer-Tropsch, atau sintesis Fischer-Tropsch (FTS), ialah tindak balas kimia yang berlaku dengan kehadiran mangkin (besi, kobalt), di mana campuran karbon monoksida (CO) dan hidrogen (H 2), yang ialah, gas sintesis, ditukar kepada pelbagai hidrokarbon cecair. Hidrokarbon yang terhasil ditulenkan untuk mendapatkan produk sasaran - minyak sintetik. Karbon dioksida dan karbon monoksida terbentuk semasa pengoksidaan separa arang batu dan/atau bahan api kayu.

Proses Fischer–Tropsch diterangkan oleh persamaan kimia berikut:

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

Syngas yang diperoleh selepas pengegasan arang batu atau sisa yang mengandungi karbon pepejal boleh digunakan secara langsung sebagai bahan api, tanpa penukaran selanjutnya melalui proses Fischer-Tropsch. Oleh itu, agak mudah untuk membuat peralihan daripada gas kepada bahan api cecair. Semasa Perang Dunia II di Jerman, sintesis Fischer-Tropsch digunakan di lapan loji untuk menghasilkan bahan api diesel sintetik (kira-kira 600 ribu tan setahun). Projek itu dibiayai sepenuhnya oleh kerajaan negeri. Selepas berakhirnya Perang Dunia II di Jerman, semua kilang ini ditutup dan sebahagiannya, bersama-sama dengan teknologi, telah dieksport sebagai ganti rugi ke Amerika Syarikat, dan dari sana ia diedarkan ke seluruh dunia. Pada masa yang sama, di Republik Afrika Selatan, syarikat South African Synthetic Oil Ltd. (SASOL), menggunakan teknologi Jerman, mula mengeluarkan bahan api sintetik dan sehingga hari ini menghasilkan lebih 200 ribu tong minyak bersamaan hidrokarbon cecair setahun di empat kilangnya di Afrika Selatan dan satu kilang di Qatar. Afrika Selatan telah lama menjadi satu-satunya negara di dunia di mana pembangunan proses CFT dijalankan. Tetapi selepas krisis 1973, syarikat minyak dan tenaga global di banyak negara (terutama Amerika Syarikat dan Jerman) mula menunjukkan minat dalam kedua-dua pengeluaran bahan api cecair sintetik dan pengeluaran gas sintesis asli.

Beberapa projek untuk pengeluaran gas sintesis asli telah dibangunkan, tetapi hanya satu daripadanya telah berjaya dilaksanakan pada skala perindustrian. Pada tahun 1984, Great Plains Synfuels Plant (Dakotagas Company) melancarkan loji metana lignit di Amerika Syarikat, yang sehingga hari ini menghasilkan gas asli sintetik yang dimasukkan ke dalam rangkaian gas asli. Kapasiti harian loji itu ialah 3.9 juta m3 SNG.

Ia juga wajar untuk mengimbas kembali pengalaman Soviet Union, di mana dari akhir 1920-an hingga 1950-an loji penjana gas dikendalikan menggunakan kayu (kayu api dan arang) dan gambut untuk menghasilkan bahan api motor gas. Pada tahun 1929, stesen penjanaan gas besar pertama yang beroperasi di atas gambut telah dibina di USSR, dan pada tahun-tahun berikutnya beberapa stesen lain yang serupa telah dibina di perusahaan besar. Penjanaan gas kayu digunakan terutamanya untuk bahan api pengangkutan. Selepas pembangunan Siberia Barat bermula dan penemuan deposit bahan api biru terbesar di dunia, penjanaan gas di USSR, malangnya, tidak sepatutnya dilupakan.

Menghasilkan metana daripada kayu

Dalam pengegasan, biojisim dengan formula kimia CH n O m mula-mula ditukar kepada gas sintesis yang terdiri daripada hidrogen dan karbon monoksida. Daripada persamaan am stoikiometri untuk tindak balas metana biojisim dengan formula jumlah

CH 1.23 O 0.38 + 0.5025 H 2 O → 0.55875 CH 4 +0.44125 C 2 O

ia berikutan bahawa air atau wap air mesti dibekalkan kepada reaktor metana, dan karbon dioksida mesti dikeluarkan daripadanya. Terdapat beberapa pilihan di sini: sama ada CO 2, seperti dalam sintesis industri, dikeluarkan daripada gas sintesis terus daripada reaktor metana, atau, seperti dalam penyediaan biogas (penapaian), selepas proses metana, sudah daripada gas asli sintetik yang tidak ditapis. . Kelebihan kaedah pertama berbanding yang lain ialah gas yang telah dimurnikan memasuki kitaran metana. Kelebihan kaedah kedua ialah reaktor metana boleh beroperasi dengan wap air yang berlebihan, yang mengurangkan pembentukan karbon dengan ketara.

Kerja-kerja di kawasan ini sedang dijalankan di Institut Paul Scherrer (Switzerland), yang, khususnya, mengambil bahagian dalam penulisan Program untuk menghasilkan metana daripada biojisim menggunakan teknologi baharu (dalam lapisan pusaran yang aktif secara bermangkin) dalam rangka kerja EU BioSNG projek. Teknologi ini telah diamalkan di loji kuasa haba di bandar Gussing di Austria. Loji sintesis metana, yang telah ditugaskan pada 2009, mempunyai kuasa 1 MW dan berjalan pada serpihan kayu. Projek 30 MW untuk menghasilkan metana daripada kayu di Gothenburg, Sweden sedang dibincangkan. Kerja serupa sedang dijalankan di Jerman (Stuttgart, ZSW), Belanda (Pusat Penyelidikan Tenaga, ECN) dan di Institut Kejuruteraan Terma Universiti Teknikal di Graz (Austria) dengan kerjasama syarikat Agnion di Pfaffenhofen an der Ilm (Jerman).

Kecekapan sintesis metana daripada biojisim

Apabila menghasilkan metana dalam setiap fasa proses, seperti dalam mana-mana proses sintesis, kerugian tidak dapat dielakkan. Apabila tindak balas eksotermik berlaku, haba dikeluarkan, kandungan tenaga yang tidak boleh berada dalam produk sintesis siap lebih besar daripada tenaga terikat secara kimia semasa proses sintesis. Untuk metana, ini bermakna hanya kira-kira 60% tenaga daripada biojisim yang digunakan dikekalkan dalam produk siap – SNG.

Tetapi oleh kerana haba yang ditolak mempunyai suhu tinggi 200 hingga 400 °C, ia boleh digunakan di tapak. Atas sebab ini, loji sintesis metana kecil menjadi sangat menguntungkan, kerana adalah mungkin untuk menyelesaikan isu penggunaan haba buangan 100%, sebagai contoh, untuk memanaskan rumah persendirian, ladang, penggunaan dalam kompleks pengeringan, dll. Ia adalah mungkin untuk menggunakan tidak hanya sisa haba daripada pengegasan dan metana, tetapi juga haba pemeluwapan wap air dalam syngas yang tidak ditapis, yang mengandungi sehingga 50% wap air. Kecekapan keseluruhan dengan penggunaan sepenuhnya haba dan penjualan SNG yang terhasil kepada rangkaian gas dan kemudahan penyimpanan gas adalah hampir 95%. Tempoh bayaran balik untuk projek tersebut hanya beberapa tahun.

Disebabkan fakta bahawa gas asli sentiasa boleh digunakan dengan kecekapan yang jauh lebih tinggi daripada bahan api biojisim pepejal, adalah lebih dinasihatkan untuk menggunakan metana yang diperoleh daripada kayu daripada membakar biobahan api pepejal secara langsung. Sebab: apabila menggunakan gas asli untuk menjana elektrik di loji janakuasa gas atau turbin stim, sehingga 60% tenaga elektrik diperoleh, dan apabila membakar bahan api pepejal daripada biojisim, sangat sukar untuk melaksanakan projek dengan pengeluaran elektrik melebihi 30% . Selain itu, dengan penjanaan elektrik terdesentralisasi sehingga 1 mW/j, loji janakuasa gas kogenerasi menggunakan gas sintesis adalah lebih berkesan daripada loji janakuasa haba yang menggunakan proses kitaran organik (proses ORC) dan pembakaran biobahan api pepejal.

Operasi loji kuasa terma sedemikian adalah berdasarkan urutan kitaran proses peredaran termodinamik (ORC - kitaran peringkat organik) cecair kerja dengan berat molekul tinggi (minyak terma, bahan penyejatan organik). Pam edaran mengepam bendalir kerja ke dalam penukar haba penyejuk organik suhu tinggi, di mana ia menyejat. Wap cecair memacu turbin, selepas itu ia memasuki penukar haba seterusnya, di mana ia disejukkan oleh air atau udara dan terkondensasi. Kondensat memasuki pengumpul pam edaran dan kitaran termodinamik (ORC) berulang. Baik penyejuk mahupun penyejuk tidak bersentuhan langsung dengan turbin atau bendalir kerja. Melalui proses ORC, loji kuasa haba mencapai kuasa tinggi, operasi yang boleh dipercayai dan keberkesanan kos.

Malah penghasilan tenaga haba sahaja apabila menggunakan biometana adalah kompetitif dengan kaedah penjanaan haba konvensional. Jika haba buangan daripada proses metana kayu digunakan di tapak (decentralized) dan gas yang dihasilkan memasuki kemudahan penyimpanan gas asli, kadar penggunaan keseluruhan sebanyak 93% diperoleh, yang tidak dicapai, contohnya, oleh loji kuasa haba menggunakan serpihan kayu atau pelet (kecekapan stesen itu sendiri lebih rendah dan di samping itu terdapat kerugian dalam rangkaian pemanasan).

Bersama-sama dengan gas sintesis yang disediakan, yang mempunyai kualiti semula jadi, loji janakuasa terma yang menggunakan gas besar juga boleh menggunakan gas sintesis "tidak ditulenkan" untuk pembakaran bersama dengan gas asli, yang akan mengurangkan kos tenaga yang dijana dengan ketara.

Gas biojisim atau gas asli fosil?

Gas asli sintetik (SNG) ialah gas sintetik tulen yang mempunyai ciri-ciri yang sama dengan gas asli.

Mengikut pengiraan syarikat Agnion, kos pengeluaran SNG daripada serpihan kayu dalam loji sehingga 1 MW ialah 8-10 euro sen/kWj.

Kos menghasilkan biometana adalah setanding dengan kos mengekstrak dan mengangkut gas asli fosil. Walau bagaimanapun, pengeluaran sedemikian pada masa ini tidak kompetitif. Semuanya akan bergantung kepada harga minyak dunia. Jika harga minyak mentah, sebagai contoh, $100 setong, maka di Jerman untuk pelanggan industri harga gas asli ialah 5-6 euro sen/kWj. Bagi isi rumah persendirian, harga akan lebih tinggi - 8-10 euro sen/kWj. Dengan harga minyak lebih daripada $200 setong berulang kali diramalkan, gas asli akan menelan kos walaupun pelanggan industri secara konsisten lebih daripada 10 euro sen/kWj. Di bawah keadaan ini, pengeluaran SNG daripada biojisim boleh berdaya maju dari segi ekonomi walaupun tanpa subsidi di bawah Undang-undang RES. Dan di Ukraine, pada harga semasa, gas sintesis adalah dua kali lebih murah daripada gas asli. Mereka sedang membangunkan projek mereka sendiri untuk menghasilkan gas sintesis dengan mengegaskan campuran habuk papan, jerami, gambut dan arang batu. Komposisinya: sehingga 25-30% metana, 30-35% karbon monoksida, dan baki 6% nitrogen dan karbon dioksida.

Pada masa ini, keperluan tenaga dunia berjumlah kira-kira 11-12 bilion tan setara bahan api (ce) dan dipenuhi oleh 58-60% minyak dan gas. Sumber tenaga biojisim tumbuhan boleh diperbaharui setiap tahun adalah 25 kali lebih besar daripada jumlah minyak yang dihasilkan. Pada masa ini, biojisim tumbuhan yang terbakar membentuk kira-kira 10% daripada sumber tenaga yang digunakan (kira-kira 1 bilion tan setara bahan api), pada masa hadapan pengembangan ketara penggunaan biojisim dijangka dalam bentuk produk pemprosesannya (cecair, bahan api pepejal). , dsb.) dan, pertama sekali, sisa yang terkumpul dan terurai, mencemarkan alam sekitar.

Permintaan untuk minyak dan gas asli akan meningkat, dan pada masa yang sama, kaedah penggunaan tenaga biojisim tumbuhan (sebagai tambahan kepada pembakaran langsungnya) akan dipertingkatkan. Sudah tentu, dalam masa depan yang indah untuk biotenaga ini, teknologi yang diterangkan di atas akan mendapat permintaan pada tahap perindustrian yang berbeza sama sekali. Walau apa pun, saya mahu percaya begitu.

Sergey PEREDERIY,
EKO Holz-und Pellethandel GmbH,
Dusseldorf, Jerman