Comment produire du biogaz à partir de fumier : un aperçu des principes de base et de la conception d'une installation de production. Méthane issu de la biomasse CO2 comme sous-produit de la production de H2 par oxydation partielle du carburant

Les agriculteurs sont chaque année confrontés au problème de l'élimination du fumier. Les fonds considérables nécessaires à l'organisation de son enlèvement et de son enterrement sont gaspillés. Mais il existe un moyen qui vous permet non seulement d’économiser votre argent, mais aussi de mettre ce produit naturel à votre service.

Les propriétaires économes mettent depuis longtemps en pratique une écotechnologie qui permet d'obtenir du biogaz à partir du fumier et d'utiliser le résultat comme carburant.

Par conséquent, dans notre matériel, nous parlerons de la technologie de production de biogaz, ainsi que de la façon de construire une usine de bioénergie.

Détermination du volume requis

Le volume du réacteur est déterminé en fonction de la quantité quotidienne de fumier produite sur la ferme. Il faut également prendre en compte le type de matière première, la température et le temps de fermentation. Pour que l'installation fonctionne pleinement, le conteneur est rempli à 85-90 % du volume, au moins 10 % doivent rester libres pour que le gaz s'échappe.

Le processus de décomposition de la matière organique dans une installation mésophile à une température moyenne de 35 degrés dure 12 jours, après quoi les résidus fermentés sont éliminés et le réacteur est rempli d'une nouvelle partie du substrat. Les déchets étant dilués avec de l'eau jusqu'à 90 % avant d'être envoyés au réacteur, la quantité de liquide doit également être prise en compte pour déterminer la charge journalière.

Sur la base des indicateurs donnés, le volume du réacteur sera égal à la quantité quotidienne de substrat préparé (fumier avec de l'eau) multipliée par 12 (le temps nécessaire à la décomposition de la biomasse) et augmentée de 10 % (le volume libre du conteneur).

Construction d'un ouvrage souterrain

Parlons maintenant de l'installation la plus simple qui vous permet de l'obtenir au moindre coût. Pensez à construire un système souterrain. Pour le réaliser, il faut creuser un trou, sa base et ses murs sont remplis de béton d'argile expansé armé.

Les ouvertures d'entrée et de sortie sont situées sur les côtés opposés de la chambre, où des tuyaux inclinés sont montés pour alimenter le substrat et pomper la masse de déchets.

Le tuyau de sortie d'un diamètre d'environ 7 cm doit être situé presque tout en bas du bunker, son autre extrémité est montée dans un réservoir de compensation rectangulaire dans lequel les déchets seront pompés. Le pipeline d'alimentation en substrat est situé à environ 50 cm du fond et a un diamètre de 25 à 35 cm. La partie supérieure du tuyau pénètre dans le compartiment de réception des matières premières.

Le réacteur doit être complètement scellé. Pour exclure la possibilité d'entrée d'air, le conteneur doit être recouvert d'une couche d'imperméabilisation bitumineuse

La partie supérieure du bunker est un gazomètre en forme de dôme ou de cône. Il est constitué de tôles ou de fer à toiture. Vous pouvez également compléter la structure avec de la maçonnerie, qui est ensuite recouverte de treillis d'acier et enduite. Vous devez créer une trappe scellée au-dessus du réservoir de gaz, retirer le tuyau de gaz passant à travers le joint hydraulique et installer une vanne pour relâcher la pression du gaz.

Pour mélanger le substrat, vous pouvez équiper l'installation d'un système de drainage fonctionnant sur le principe du barbotage. Pour ce faire, fixez verticalement les tuyaux en plastique à l'intérieur de la structure de manière à ce que leur bord supérieur soit au-dessus de la couche de substrat. Faites beaucoup de trous dedans. Le gaz sous pression va tomber et en remontant, des bulles de gaz vont mélanger la biomasse dans le conteneur.

Si vous ne souhaitez pas construire de bunker en béton, vous pouvez acheter un conteneur en PVC prêt à l'emploi. Pour conserver la chaleur, il doit être entouré d'une couche d'isolation thermique - mousse de polystyrène. Le fond de la fosse est rempli d'une couche de 10 cm de béton armé. Des cuves en polychlorure de vinyle peuvent être utilisées si le volume du réacteur ne dépasse pas 3 m3.

Conclusions et vidéo utile sur le sujet

Vous apprendrez comment réaliser l'installation la plus simple à partir d'un baril ordinaire si vous regardez la vidéo :

Le réacteur le plus simple peut être fabriqué de vos propres mains en quelques jours, en utilisant les matériaux disponibles. Si la ferme est grande, il est préférable d'acheter une installation prête à l'emploi ou de contacter des spécialistes.

Dans l'industrie, les principales méthodes de production de dioxyde de carbone CO2 sont sa production comme sous-produit de la réaction de conversion du méthane CH4 en hydrogène H2, les réactions de combustion (oxydation) des hydrocarbures, la réaction de décomposition du calcaire CaCO3 en chaux CaO et eau. H20.

CO2 comme sous-produit du reformage à la vapeur du CH4 et d'autres hydrocarbures en hydrogène H2

L'hydrogène H2 est nécessaire à l'industrie, principalement pour son utilisation dans le procédé de production d'ammoniac NH3 (procédé Haber, réaction catalytique de l'hydrogène et de l'azote) ; L'ammoniac est nécessaire à la production d'engrais minéraux et d'acide nitrique. L'hydrogène peut être produit de différentes manières, y compris l'électrolyse de l'eau, très appréciée des écologistes. Cependant, malheureusement, à l'heure actuelle, toutes les méthodes de production d'hydrogène, à l'exception du reformage des hydrocarbures, sont absolument injustifiées économiquement à l'échelle d'une production à grande échelle. production - à moins qu'il n'y ait un excès de matières « gratuites » dans la production d'électricité. Ainsi, la principale méthode de production d'hydrogène, au cours de laquelle du dioxyde de carbone est également libéré, est le reformage à la vapeur du méthane : à une température d'environ 700...1100°C et une pression de 3...25 bars, en présence de un catalyseur, la vapeur d'eau H2O réagit avec le méthane CH4 avec libération de gaz de synthèse (le processus est endothermique, c'est-à-dire qu'il se produit avec l'absorption de chaleur) :
CH4 + H2O (+ chaleur) → CO + 3H2

Le propane peut être reformé à la vapeur de la même manière :
С3H8 + 3H2O (+ chaleur) → 2CO + 7H2

Et aussi de l'éthanol (alcool éthylique) :
C2H5OH + H2O (+ chaleur) → 2CO + 4H2

Même l’essence peut être reformée à la vapeur. L'essence contient plus de 100 composés chimiques différents, les réactions de vaporéformage de l'isooctane et du toluène sont présentées ci-dessous :
C8H18 + 8H2O (+ chaleur) → 8CO + 17H2
C7H8 + 7H2O (+ chaleur) → 7CO + 11H2

Ainsi, lors du reformage à la vapeur de l'un ou l'autre combustible hydrocarbure, de l'hydrogène et du monoxyde de carbone CO (monoxyde de carbone) sont obtenus. Dans l'étape suivante du processus de production d'hydrogène, le monoxyde de carbone, en présence d'un catalyseur, subit la réaction consistant à déplacer un atome d'oxygène O de l'eau au gaz = le CO est oxydé en CO2 et l'hydrogène H2 est libéré sous forme libre. La réaction est exothermique, dégageant environ 40,4 kJ/mol de chaleur :
CO + H2O → CO2 + H2 (+ chaleur)

En milieu industriel, le dioxyde de carbone CO2 libéré lors du reformage à la vapeur des hydrocarbures peut être facilement isolé et collecté. Cependant, le CO2 dans ce cas est un sous-produit indésirable, qui le libère simplement librement dans l'atmosphère, bien que la méthode actuelle d'élimination du CO2 soit indésirable d'un point de vue environnemental et que certaines entreprises pratiquent des méthodes plus « avancées ». , comme par exemple le pompage du CO2 dans des champs pétroliers en déclin ou injecté dans l’océan.

Production de CO2 à partir de la combustion complète d'hydrocarbures

Lorsqu'ils sont brûlés, c'est-à-dire oxydés avec une quantité suffisante d'oxygène, des hydrocarbures tels que le méthane, le propane, l'essence, le kérosène, le carburant diesel, etc., du dioxyde de carbone et, généralement, de l'eau se forment. Par exemple, la réaction de combustion du CH4 méthane ressemble à ceci :
CH 4 + 2O 2 → CO 2 + 2H 2 O

CO2 comme sous-produit de la production de H2 par oxydation partielle du carburant

Environ 95 % de l'hydrogène produit industriellement dans le monde est produit par la méthode décrite ci-dessus de reformage à la vapeur d'hydrocarbures, principalement le CH4 méthane contenu dans le gaz naturel. En plus du reformage à la vapeur, l'hydrogène peut être produit à partir de carburant d'hydrocarbure avec une efficacité assez élevée par la méthode d'oxydation partielle, lorsque le méthane et d'autres hydrocarbures réagissent avec une quantité d'oxygène insuffisante pour une combustion complète du carburant (rappelez-vous que dans le processus de reformage complet combustion du carburant, brièvement décrite juste ci-dessus, on obtient du dioxyde de carbone (CO2 gazeux et H20 de l'eau). Lorsqu'une quantité d'oxygène inférieure à la quantité stoechiométrique est fournie, les produits de réaction sont principalement de l'hydrogène H2 et du monoxyde de carbone, également appelé monoxyde de carbone CO ; le dioxyde de carbone CO2 et certaines autres substances sont produits en petites quantités. Comme généralement, dans la pratique, ce procédé s'effectue non pas avec de l'oxygène purifié, mais avec de l'air, il y a de l'azote à la fois à l'entrée et à la sortie du procédé, qui ne participe pas à la réaction.

L'oxydation partielle est un processus exothermique, c'est-à-dire que la réaction produit de la chaleur. L'oxydation partielle se déroule généralement beaucoup plus rapidement que le reformage à la vapeur et nécessite un volume de réacteur plus petit. Comme le montrent les réactions ci-dessous, l’oxydation partielle produit initialement moins d’hydrogène par unité de carburant que n’en produit le processus de reformage à la vapeur.

Réaction d'oxydation partielle du méthane CH4 :
CH 4 + ½O 2 → CO + H 2 (+ chaleur)

PropaneC3H8 :
C 3 H 8 + 1½O 2 → 3CO + 4H 2 (+ chaleur)

Alcool éthylique C2H5OH :
C 2 H 5 OH + ½O 2 → 2CO + 3H 2 (+ chaleur)

Oxydation partielle de l'essence à l'exemple de l'isooctane et du toluène, à partir de plus d'une centaine de composés chimiques présents dans l'essence :
C 8 H 18 + 4O 2 → 8CO + 9H 2 (+ chaleur)
C 7 H 18 + 3½O 2 → 7CO + 4H 2 (+ chaleur)

Pour convertir le CO en dioxyde de carbone et produire de l'hydrogène supplémentaire, la réaction de déplacement de l'oxygène eau → gaz, déjà évoquée dans la description du procédé de vaporeformage, est utilisée :
CO + H 2 O → CO 2 + H 2 (+ petite quantité de chaleur)

CO2 issu de la fermentation du sucre

Dans la production de boissons alcoolisées et de produits de boulangerie à partir de pâte levée, le processus de fermentation des sucres est utilisé - glucose, fructose, saccharose, etc., avec formation d'alcool éthylique C2H5OH et de dioxyde de carbone CO2. Par exemple, la réaction de fermentation du glucose C6H12O6 est :
C 6 H 12 O 6 → 2C 2 H 5 OH + 2CO 2

Et la fermentation du fructose C12H22O11 ressemble à ceci :
C 12 H 22 O 11 + H 2 O → 4C 2 H 5 OH + 4CO 2

Équipement pour la production de CO2 fabriqué par Wittemann

Dans la production de boissons alcoolisées, l'alcool obtenu est un produit souhaitable et même, pourrait-on dire, nécessaire de la réaction de fermentation. Le dioxyde de carbone est parfois libéré dans l’atmosphère et parfois laissé dans la boisson pour la gazéifier. Dans la fabrication du pain, c'est l'inverse qui se produit : le CO2 est nécessaire pour créer des bulles qui font lever la pâte, et l'alcool éthylique s'évapore presque complètement pendant la cuisson.

De nombreuses entreprises, principalement des distilleries, pour lesquelles le CO 2 est un sous-produit totalement inutile, ont mis en place sa collecte et sa vente. Le gaz des cuves de fermentation est acheminé via des pièges à alcool vers l'atelier de dioxyde de carbone, où le CO2 est purifié, liquéfié et mis en bouteille. En fait, ce sont les distilleries qui sont les principaux fournisseurs de dioxyde de carbone dans de nombreuses régions - et pour beaucoup d'entre elles, la vente de dioxyde de carbone n'est en aucun cas la dernière source de revenus.

Il existe toute une industrie dans la production d'équipements pour la séparation du dioxyde de carbone pur dans les brasseries et les usines d'alcool (Brasserie Huppmann/GEA, Wittemann, etc.), ainsi que dans sa production directe à partir de carburants hydrocarbures. Les fournisseurs de gaz comme Air Products et Air Liquide installent également des stations pour séparer le CO2 puis le purifier et le liquéfier avant de le remplir en bouteilles.

CO2 dans la production de chaux vive CaO à partir de CaCO3

Le processus de production de chaux vive, CaO, largement utilisée, contient également du dioxyde de carbone comme sous-produit de la réaction. La réaction de décomposition du calcaire CaCO3 est endothermique, nécessite une température d'environ +850°C et ressemble à ceci :
CaCO3 → CaO + CO2

Si le calcaire (ou un autre carbonate métallique) réagit avec un acide, du dioxyde de carbone H2CO3 est libéré comme l'un des produits de réaction. Par exemple, l'acide chlorhydrique HCl réagit avec le calcaire (carbonate de calcium) CaCO3 comme suit :
2HCl + CaCO 3 → CaCl 2 + H 2 CO 3

L'acide carbonique est très instable et, dans les conditions atmosphériques, il se décompose rapidement en CO2 et en eau H2O.

L'acide formique, dont la formule est HCOOH, est l'acide monocarboxylique le plus simple. Comme son nom l’indique clairement, la source de sa détection était les sécrétions caractéristiques des fourmis rouges. L’acide en question fait partie de la substance toxique sécrétée par les fourmis piqueuses. Il contient également un liquide brûlant produit par les chenilles piquantes du ver à soie.

La solution d'acide formique a été obtenue pour la première fois lors des expériences du célèbre scientifique anglais John Ray. À la fin du XVIIe siècle, il mélangeait des fourmis d’eau et des fourmis rouges des forêts dans un récipient. Ensuite, le récipient a été chauffé à ébullition et un courant de vapeur chaude l'a traversé. Le résultat de l’expérience fut l’obtention d’une solution aqueuse dont la caractéristique distinctive était une réaction fortement acide.

Andreas Sigismund Marggraff a réussi à obtenir de l'acide formique pur au milieu du XVIIIe siècle. L'acide anhydre, obtenu par le chimiste allemand Justus Liebig, est considéré à la fois comme l'acide carboxylique le plus simple et le plus fort. Selon la nomenclature moderne, on l'appelle acide méthanoïque et c'est un composé extrêmement dangereux.

Aujourd'hui, la production de l'acide présenté s'effectue de plusieurs manières, comprenant plusieurs étapes successives. Mais il a été prouvé que l'hydrogène et le dioxyde de carbone peuvent être convertis en acide formique et revenir à leur état d'origine. Le développement de cette théorie a été réalisé par des scientifiques allemands. L'intérêt du sujet était de minimiser l'entrée de dioxyde de carbone dans l'air atmosphérique. Ce résultat peut être obtenu grâce à son utilisation active comme principale source de carbone pour la synthèse de substances organiques.

La technique innovante sur laquelle ont travaillé les spécialistes allemands implique l'hydrogénation catalytique avec formation d'acide formique. Selon lui, le dioxyde de carbone devient à la fois le matériau de base et le solvant pour séparer le produit final, puisque la réaction est effectuée dans du CO2 supercritique. Grâce à cette approche intégrée, la production d’acide méthanoïque en une seule étape devient réalisable.

Le processus d'hydrogénation du dioxyde de carbone avec formation d'acide méthane fait actuellement l'objet de recherches actives. L'objectif principal poursuivi par les scientifiques est d'obtenir des composés chimiques à partir des déchets formés lors de la combustion de combustibles fossiles. Outre l'utilisation généralisée de l'acide formique dans diverses industries, il faut noter sa participation au stockage de l'hydrogène. Il est possible que le rôle de carburant pour les véhicules équipés de panneaux solaires soit joué par cet acide, dont les réactions catalytiques permettent d'extraire l'hydrogène.

La formation de méthane acide à partir de dioxyde de carbone par catalyse homogène fait l'objet d'études de spécialistes depuis les années 70 du XXe siècle. La principale difficulté est considérée comme un déplacement de l'équilibre vers les substances de départ, qui est observé au stade de la réaction à l'équilibre. Pour résoudre le problème, il est nécessaire d’éliminer l’acide formique du mélange réactionnel. Mais pour le moment, cela ne peut être réalisé que si l’acide méthanoïque est converti en sel ou en un autre composé. Par conséquent, l'acide pur ne peut être obtenu que s'il existe une étape supplémentaire, qui consiste en la destruction de cette substance, ce qui ne permet pas d'organiser un processus ininterrompu de formation d'acide formique.

Cependant, un concept unique développé par les scientifiques du groupe de Walter Leitner devient de plus en plus populaire. Ils suggèrent que l'intégration des étapes d'hydrogénation du dioxyde de carbone et d'isolement du produit avec leur mise en œuvre au sein d'un seul appareil permet de rendre ininterrompu le processus d'obtention d'acide méthanoïque pur. Comment les scientifiques ont-ils atteint une efficacité maximale ? La raison en était l'utilisation d'un système à deux phases, dans lequel la phase mobile est représentée par du dioxyde de carbone supercritique, la phase stationnaire est un liquide ionique, un sel liquide. Il est à noter que le liquide ionique servait à dissoudre à la fois le catalyseur et la base destinée à stabiliser l'acide. L'écoulement de dioxyde de carbone dans des conditions où la pression et la température dépassent les valeurs critiques favorise l'élimination de l'acide méthanoïque du mélange réactionnel. Il est important que la présence de dioxyde de carbone supercritique ne conduise pas à la dissolution de liquides ioniques, de catalyseurs ou de bases, garantissant ainsi une pureté maximale de la substance résultante.

La production de méthane à partir de dioxyde de carbone est un processus qui nécessite des conditions de laboratoire. Ainsi, en 2009, à l'Université de Pennsylvanie (USA), du méthane a été produit à partir d'eau et de dioxyde de carbone à l'aide de nanotubes constitués de TiO 2 (dioxyde de titane) et contenant des impuretés azotées. Pour obtenir du méthane, les chercheurs ont placé de l'eau (à l'état de vapeur) et du dioxyde de carbone dans des récipients métalliques fermés par un couvercle contenant des nanotubes à l'intérieur.

Le processus de production de méthane est le suivant : sous l'influence de la lumière du Soleil, des particules porteuses d'une charge électrique sont apparues à l'intérieur des tubes. Ces particules séparent les molécules d'eau en ions hydrogène (H, qui se combinent ensuite en molécules d'hydrogène H2) et en radicaux hydroxyles (particules -OH). De plus, lors du processus de production de méthane, le dioxyde de carbone a été divisé en monoxyde de carbone (CO) et en oxygène (O 2). Enfin, le monoxyde de carbone réagit avec l’hydrogène, produisant de l’eau et du méthane.

La réaction inverse - la production de dioxyde de carbone se produit à la suite de la déformation du méthane à la vapeur - à une température de 700-1100°C et une pression de 0,3-2,5 MPa.

Les dirigeants de l'Institut des sciences industrielles de l'Université de Tokyo, de l'Institut national des sciences et technologies industrielles avancées (AIST), Hitachi Zosen Corp, JGC Corp et EX Research Institute Ltd ont pris une décision le 18 novembre 2016 sur l'organisation de un nouveau groupe de recherche commun "CCR (carbon capture & reuse) Study Group". Ce groupe développera des technologies à grande échelle capables de produire des carburants liquides et gazeux, tels que le méthane, en utilisant le dioxyde de carbone atmosphérique et l'hydrogène produit par électrolyse en utilisant de l'énergie provenant de sources propres et renouvelables.

Tout d'abord, ce groupe s'engagera dans des recherches visant à accroître l'efficacité de l'utilisation de l'énergie obtenue à partir de sources renouvelables, l'efficacité des technologies de séparation du dioxyde de carbone de l'atmosphère et son utilisation ultérieure, et à développer de nouvelles méthodes plus modernes pour produire de l'hydrogène à partir de l'eau par électrolyse.

Les technologies futures s'appuieront sur des processus physiques et des transformations chimiques assez connus mis en œuvre au niveau technologique moderne. Le dioxyde de carbone rejeté dans l’atmosphère lors de la combustion de tout type de combustible fossile réagira avec l’hydrogène. Cet hydrogène sera produit par électrolyse et l’énergie nécessaire proviendra exclusivement de sources respectueuses de l’environnement, principalement de centrales solaires et éoliennes.

Cette technologie n’est pas seulement considérée comme une source propre de combustibles liquides et fossiles. Une autre fonction de cette technologie sera de stocker l'énergie excédentaire reçue des centrales solaires et éoliennes sous forme de carburant pendant les heures de consommation minimale.

Le Groupe CCR s’occupera de tous les types existants de sources d’énergie renouvelables et propres. En outre, de nouvelles méthodes efficaces pour produire de l'hydrogène, séparer le dioxyde de carbone et le transformer en carburant seront recherchées et développées.

Les travaux sur toutes les technologies en cours de recherche et de développement seront menés sous deux angles. La première position sera la création d'installations de petite taille, éventuellement mobiles, de puissance peu élevée, capables de fournir du méthane pour répondre aux besoins d'un certain petit groupe de personnes (modèle décentralisé). Et la deuxième direction sera le développement de systèmes de production à grande échelle, dotés d’une puissance suffisamment élevée et pouvant être inclus dans le réseau énergétique global du pays (modèle centralisé).