Cum se produce biogaz din gunoi de grajd: o prezentare generală a principiilor de bază și a proiectării unei instalații de producție. Metanul din biomasă CO2 ca produs secundar al producției de H2 prin oxidarea parțială a combustibilului

Fermierii se confruntă anual cu problema eliminării gunoiului de grajd. Fondurile considerabile necesare pentru a organiza îndepărtarea și înmormântarea lui sunt irosite. Dar există o modalitate care îți permite nu numai să economisești banii, ci și să faci ca acest produs natural să te servească în beneficiul tău.

Proprietarii economisiți pun de mult în practică eco-tehnologia care face posibilă obținerea de biogaz din gunoi de grajd și utilizarea rezultatului drept combustibil.

Prin urmare, în materialul nostru vom vorbi despre tehnologia de producere a biogazului și vom vorbi, de asemenea, despre cum să construim o centrală de bioenergie.

Determinarea volumului necesar

Volumul reactorului se determină pe baza cantității zilnice de gunoi de grajd produsă în fermă. De asemenea, este necesar să se țină cont de tipul de materie primă, de temperatură și de timpul de fermentare. Pentru ca instalația să funcționeze complet, recipientul este umplut la 85-90% din volum, cel puțin 10% trebuie să rămână liber pentru ca gazul să scape.

Procesul de descompunere a materiei organice într-o instalație mezofilă la o temperatură medie de 35 de grade durează de la 12 zile, după care se îndepărtează reziduurile fermentate și se umple reactorul cu o nouă porțiune de substrat. Deoarece deșeurile sunt diluate cu apă până la 90% înainte de a fi trimise în reactor, cantitatea de lichid trebuie luată în considerare și la determinarea sarcinii zilnice.

Pe baza indicatorilor dați, volumul reactorului va fi egal cu cantitatea zilnică de substrat preparat (dejecții de grajd cu apă) înmulțită cu 12 (timpul necesar descompunerii biomasei) și mărită cu 10% (volumul liber al recipientului).

Construcția unei structuri subterane

Acum să vorbim despre cea mai simplă instalare care vă permite să o obțineți la cel mai mic cost. Luați în considerare construirea unui sistem subteran. Pentru a o face, trebuie să săpați o groapă, baza și pereții acesteia sunt umplute cu beton de argilă expandată armat.

Orificiile de intrare și de evacuare sunt situate pe părțile opuse ale camerei, unde sunt montate țevi înclinate pentru alimentarea substratului și pomparea masei reziduale.

Țeava de evacuare cu un diametru de aproximativ 7 cm ar trebui să fie situată aproape în partea de jos a buncărului, celălalt capăt al acestuia este montat într-un rezervor de compensare dreptunghiular în care vor fi pompate deșeurile. Conducta pentru alimentarea substratului este situata la aproximativ 50 cm de jos si are un diametru de 25-35 cm.Partea superioara a conductei intra in compartimentul pentru primirea materiilor prime.

Reactorul trebuie să fie complet etanș. Pentru a exclude posibilitatea pătrunderii aerului, recipientul trebuie acoperit cu un strat de hidroizolație cu bitum

Partea superioară a buncărului este un suport de gaz, care are o formă de cupolă sau con. Este realizat din foi metalice sau fier pentru acoperiș. De asemenea, puteți completa structura cu zidărie, care este apoi acoperită cu plasă de oțel și tencuită. Trebuie să faceți o trapă etanșată deasupra rezervorului de gaz, să îndepărtați conducta de gaz care trece prin etanșarea de apă și să instalați o supapă pentru a elibera presiunea gazului.

Pentru a amesteca substratul, puteți echipa instalația cu un sistem de drenaj care funcționează pe principiul barbotare. Pentru a face acest lucru, fixați vertical țevile de plastic în interiorul structurii, astfel încât marginea lor superioară să fie deasupra stratului de substrat. Faceți multe găuri în ele. Gazul sub presiune va cădea în jos, iar în sus, bulele de gaz vor amesteca biomasa în recipient.

Dacă nu doriți să construiți un buncăr din beton, puteți cumpăra un container din PVC gata făcut. Pentru a păstra căldura, acesta trebuie să fie înconjurat de un strat de izolație termică - spumă de polistiren. Fundul gropii este umplut cu un strat de 10 cm de beton armat.Se pot folosi rezervoare din clorură de polivinil dacă volumul reactorului nu depășește 3 m3.

Concluzii și video util pe această temă

Veți învăța cum să faceți cea mai simplă instalare dintr-un butoi obișnuit dacă urmăriți videoclipul:

Cel mai simplu reactor poate fi realizat în câteva zile cu propriile mâini, folosind materialele disponibile. Dacă ferma este mare, atunci cel mai bine este să cumpărați o instalație gata făcută sau să contactați specialiști.

În industrie, principalele metode de producere a dioxidului de carbon CO2 sunt producerea acestuia ca produs secundar al reacției de transformare a metanului CH4 în hidrogen H2, reacțiile de ardere (oxidarea) hidrocarburilor, reacția de descompunere a calcarului CaCO3 în var CaO și apă. H20.

CO2 ca produs secundar al reformării cu abur a CH4 și a altor hidrocarburi în hidrogen H2

Hidrogenul H2 este necesar de industrie, în primul rând pentru utilizarea sa în procesul de producere a amoniacului NH3 (procedeul Haber, reacție catalitică a hidrogenului și azotului); Amoniacul este necesar pentru producerea de îngrășăminte minerale și acid azotic. Hidrogenul poate fi produs în diferite moduri, inclusiv electroliza apei, care este îndrăgită de ecologisti - cu toate acestea, din păcate, în acest moment, toate metodele de producere a hidrogenului, cu excepția hidrocarburilor de reformare, sunt absolut nejustificate din punct de vedere economic la scara largă. producție – cu excepția cazului în care există un exces de materiale „gratuite” în producție.electricitate. Prin urmare, principala metodă de producere a hidrogenului, în timpul căreia se eliberează și dioxid de carbon, este reformarea cu abur a metanului: la o temperatură de aproximativ 700...1100°C și o presiune de 3...25 bar, în prezența un catalizator, vaporii de apă H2O reacționează cu metanul CH4 cu eliberarea de gaz de sinteză (procesul este endotermic, adică are loc odată cu absorbția de căldură):
CH4 + H2O (+ căldură) → CO + 3H2

Propanul poate fi reformat cu abur într-un mod similar:
С3H8 + 3H2O (+ căldură) → 2CO + 7H2

Și, de asemenea, etanol (alcool etilic):
C2H5OH + H2O (+ căldură) → 2CO + 4H2

Chiar și benzina poate fi reformată cu abur. Benzina conține mai mult de 100 de compuși chimici diferiți, reacțiile de reformare cu abur ale izooctanului și toluenului sunt prezentate mai jos:
C8H18 + 8H2O (+ căldură) → 8CO + 17H2
C7H8 + 7H2O (+ căldură) → 7CO + 11H2

Deci, în procesul de reformare cu abur a unuia sau altuia combustibil hidrocarbură, se obține hidrogen și monoxid de carbon CO (monoxid de carbon). În următoarea etapă a procesului de producere a hidrogenului, monoxidul de carbon, în prezența unui catalizator, suferă reacția de mutare a unui atom de oxigen O din apă în gaz = CO este oxidat la CO2, iar hidrogenul H2 este eliberat în formă liberă. Reacția este exotermă, eliberând aproximativ 40,4 kJ/mol de căldură:
CO + H2O → CO2 + H2 (+ căldură)

În medii industriale, dioxidul de carbon CO2 eliberat în timpul reformării cu abur a hidrocarburilor poate fi izolat și colectat cu ușurință. Cu toate acestea, CO2 în acest caz este un produs secundar nedorit, pur și simplu eliberându-l liber în atmosferă, deși acum modalitatea predominantă de a scăpa de CO2, este nedorită din punct de vedere al mediului, iar unele întreprinderi practică metode mai „avansate” , cum ar fi, de exemplu, pomparea CO2 în câmpuri petroliere în declin sau injectat în ocean.

Producția de CO2 din arderea completă a combustibililor cu hidrocarburi

Când sunt arse, adică oxidate cu o cantitate suficientă de oxigen, se formează hidrocarburi precum metanul, propanul, benzina, kerosenul, motorina etc., se formează dioxid de carbon și, de obicei, apă. De exemplu, reacția de ardere a metanului CH4 arată astfel:
CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O

CO2 ca produs secundar al producției de H2 prin oxidarea parțială a combustibilului

Aproximativ 95% din hidrogenul produs industrial la nivel mondial este produs prin metoda descrisă mai sus de reformare cu abur a combustibililor cu hidrocarburi, în principal metanul CH4 conținut în gazul natural. Pe lângă reformarea cu abur, hidrogenul poate fi produs din combustibilul cu hidrocarburi cu o eficiență destul de mare prin metoda oxidării parțiale, atunci când metanul și alte hidrocarburi reacţionează cu o cantitate de oxigen insuficientă pentru arderea completă a combustibilului (rețineți că în procesul de completare a combustibilului). arderea combustibilului, descrisă pe scurt chiar mai sus, se obține dioxid de carbon CO2 gaz și H20 apă). Când este furnizată o cantitate mai mică decât stoechiometrică de oxigen, produșii de reacție sunt predominant hidrogen H2 și monoxid de carbon, cunoscut și sub denumirea de monoxid de carbon CO; dioxidul de carbon CO2 și unele alte substanțe sunt produse în cantități mici. Deoarece, de obicei, în practică, acest proces se desfășoară nu cu oxigen purificat, ci cu aer, există azot atât la intrarea, cât și la ieșirea procesului, care nu participă la reacție.

Oxidarea parțială este un proces exotermic, adică reacția produce căldură. Oxidarea parțială are loc de obicei mult mai rapid decât reformarea cu abur și necesită un volum mai mic al reactorului. După cum se poate observa din reacțiile de mai jos, oxidarea parțială produce inițial mai puțin hidrogen per unitate de combustibil decât este produs prin procesul de reformare cu abur.

Reacția de oxidare parțială a metanului CH4:
CH 4 + ½O 2 → CO + H 2 (+ căldură)

Propan C3H8:
C 3 H 8 + 1½O 2 → 3CO + 4H 2 (+ căldură)

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

Oxidarea parțială a benzinei folosind exemplul de izooctan și toluen, din mai mult de o sută de compuși chimici prezenți în benzină:
C 8 H 18 + 4O 2 → 8CO + 9H 2 (+ căldură)
C 7 H 18 + 3½O 2 → 7CO + 4H 2 (+ căldură)

Pentru a transforma CO în dioxid de carbon și a produce hidrogen suplimentar, se utilizează reacția de schimbare a oxigenului apă → gaz, deja menționată în descrierea procesului de reformare cu abur:
CO + H 2 O → CO 2 + H 2 (+ cantitate mică de căldură)

CO2 din fermentarea zahărului

În producția de băuturi alcoolice și produse de panificație din aluat de drojdie se utilizează procesul de fermentare a zaharurilor - glucoză, fructoză, zaharoză etc., cu formarea de alcool etilic C2H5OH și dioxid de carbon CO2. De exemplu, reacția de fermentație a glucozei C6H12O6 este:
C6H12O6 → 2C2H5OH + 2CO2

Și fermentația fructozei C12H22O11 arată astfel:
C 12 H 22 O 11 + H 2 O → 4C 2 H 5 OH + 4CO 2

Echipament pentru producerea de CO2 produs de Wittemann

În producția de băuturi alcoolice, alcoolul rezultat este un produs de dorit și chiar, s-ar putea spune, necesar al reacției de fermentație. Dioxidul de carbon este uneori eliberat în atmosferă, iar uneori lăsat în băutură pentru a-l carboniza. La coacerea pâinii se întâmplă invers: CO2 este necesar pentru a forma bule care fac să crească aluatul, iar alcoolul etilic se evaporă aproape complet în timpul coacerii.

Multe întreprinderi, în primul rând distilerii, pentru care CO 2 este un produs secundar complet inutil, și-au stabilit colectarea și vânzarea. Gazul din rezervoarele de fermentație este furnizat prin capcane cu alcool către magazinul de dioxid de carbon, unde CO2 este purificat, lichefiat și îmbuteliat. De fapt, distilerii sunt principalii furnizori de dioxid de carbon în multe regiuni - și pentru multe dintre ele, vânzarea de dioxid de carbon nu este nicidecum ultima sursă de venit.

Există o întreagă industrie în producția de echipamente pentru separarea dioxidului de carbon pur în fabricile de bere și fabricile de alcool (Huppmann/GEA Brewery, Wittemann etc.), precum și producția directă a acesteia din combustibili hidrocarburi. Furnizorii de gaze precum Air Products și Air Liquide instalează, de asemenea, stații pentru a separa CO2 și apoi îl purifică și îl lichefiază înainte de a-l umple în butelii.

CO2 în producerea de var nestins CaO din CaCO3

Procesul de producere a varului neted, folosit pe scară largă, CaO, are, de asemenea, dioxid de carbon ca produs secundar al reacției. Reacția de descompunere a calcarului CaCO3 este endotermă, necesită o temperatură de aproximativ +850°C și arată astfel:
CaCO3 → CaO + CO2

Dacă calcarul (sau alt carbonat metalic) reacţionează cu un acid, dioxidul de carbon H2CO3 este eliberat ca unul dintre produşii de reacţie. De exemplu, acidul clorhidric HCI reacționează cu calcarul (carbonat de calciu) CaCO3 după cum urmează:
2HCI + CaC03 → CaCI2 + H2CO3

Acidul carbonic este foarte instabil, iar în condiții atmosferice se descompune rapid în CO2 și apă H2O.

Acidul formic, a cărui formulă este HCOOH, este cel mai simplu acid monocarboxilic. După cum reiese din numele său, sursa detectării sale au fost secrețiile caracteristice furnicilor roșii. Acidul în cauză face parte din substanța toxică secretată de furnicile înțepătoare. Conține, de asemenea, un lichid arzător care este produs de omizile de viermi de mătase înțepătoare.

Soluția de acid formic a fost obținută pentru prima dată în timpul experimentelor faimosului om de știință englez John Ray. La sfârșitul secolului al XVII-lea, el a amestecat apă și furnici roșii de pădure într-un vas. Apoi, vasul a fost încălzit până la fierbere și a fost trecut prin el un flux de abur fierbinte. Rezultatul experimentului a fost producerea unei soluții apoase, a cărei caracteristică distinctivă a fost o reacție puternic acidă.

Andreas Sigismund Marggraff a reușit să obțină acid formic pur la mijlocul secolului al XVIII-lea. Acidul anhidru, care a fost obținut de chimistul german Justus Liebig, este considerat cel mai simplu și mai puternic acid carboxilic în același timp. Conform nomenclaturii moderne, se numește acid metanoic și este un compus extrem de periculos.

Astăzi, producerea acidului prezentat se realizează în mai multe moduri, inclusiv o serie de etape succesive. Dar s-a dovedit că hidrogenul și dioxidul de carbon pot fi transformate în acid formic și pot reveni la starea lor inițială. Dezvoltarea acestei teorii a fost realizată de oamenii de știință germani. Relevanța subiectului a fost de a minimiza intrarea dioxidului de carbon în aerul atmosferic. Acest rezultat poate fi atins prin utilizarea sa activă ca sursă principală de carbon pentru sinteza substanțelor organice.

Tehnica inovatoare la care au lucrat specialiștii germani presupune hidrogenarea catalitică cu formarea acidului formic. Potrivit acestuia, dioxidul de carbon devine atât materialul de bază, cât și solventul pentru separarea produsului final, deoarece reacția se desfășoară în CO2 supercritic. Datorită acestei abordări integrate, producerea într-o singură etapă a acidului metanoic devine fezabilă.

Procesul de hidrogenare a dioxidului de carbon cu formarea acidului metan este în prezent un obiect de cercetare activă. Scopul principal urmărit de oamenii de știință este obținerea de compuși chimici din deșeurile generate de arderea combustibililor fosili. Pe lângă utilizarea pe scară largă a acidului formic în diferite industrii, este necesar să se remarce participarea acestuia la stocarea hidrogenului. Este posibil ca rolul de combustibil pentru vehiculele echipate cu panouri solare să fie jucat de acest acid, din care reacțiile catalitice permit extragerea hidrogenului.

Formarea acidului metan din dioxid de carbon prin cataliză omogenă a făcut obiectul studiului specialiștilor încă din anii 70 ai secolului XX. Principala dificultate este considerată a fi o deplasare a echilibrului către substanțele inițiale, care se observă în stadiul reacției de echilibru. Pentru a rezolva problema, este necesar să eliminați acidul formic din amestecul de reacție. Dar în acest moment acest lucru poate fi realizat numai dacă acidul metanoic este transformat într-o sare sau alt compus. În consecință, acidul pur poate fi obținut numai dacă există o etapă suplimentară, care constă în distrugerea acestei substanțe, care nu permite realizarea unui proces neîntrerupt de formare a acidului formic.

Cu toate acestea, un concept unic dezvoltat de oamenii de știință din grupul lui Walter Leitner devine din ce în ce mai popular. Ei sugerează că integrarea etapelor de hidrogenare a dioxidului de carbon și izolarea produsului cu implementarea lor într-un singur aparat face posibilă realizarea neîntreruptă a procesului de obținere a acidului metanoic pur. Cum au obținut oamenii de știință eficiența maximă? Motivul pentru aceasta a fost utilizarea unui sistem cu două faze, în care faza mobilă este reprezentată de dioxid de carbon supercritic, faza staționară este un lichid ionic, sare lichidă. Trebuie remarcat faptul că lichidul ionic a fost folosit pentru a dizolva atât catalizatorul, cât și baza destinată stabilizării acidului. Fluxul de dioxid de carbon în condițiile în care presiunea și temperatura depășesc valorile critice promovează îndepărtarea acidului metanoic din amestecul de reacție. Este important ca prezența dioxidului de carbon supercritic să nu conducă la dizolvarea lichidelor ionice, catalizatorilor sau bazelor, asigurând puritatea maximă a substanței rezultate.

Producerea metanului din dioxid de carbon este un proces care necesită condiții de laborator. Astfel, în 2009, la Universitatea din Pennsylvania (SUA), metanul a fost produs din apă și dioxid de carbon folosind nanotuburi formate din TiO 2 (dioxid de titan) și care conțineau impurități de azot. Pentru a obține metan, cercetătorii au plasat apă (în stare de vapori) și dioxid de carbon în recipiente metalice închise cu un capac cu nanotuburi în interior.

Procesul de producere a metanului este următorul: sub influența luminii Soarelui, în interiorul tuburilor au apărut particule care poartă o sarcină electrică. Astfel de particule au separat moleculele de apă în ioni de hidrogen (H, care apoi se combină în molecule de hidrogen H2) și radicali hidroxil (particule -OH). În plus, în procesul de producere a metanului, dioxidul de carbon a fost împărțit în monoxid de carbon (CO) și oxigen (O 2). În cele din urmă, monoxidul de carbon reacționează cu hidrogenul, rezultând apă și metan.

Reacția inversă - producerea de dioxid de carbon are loc ca urmare a deformării cu abur a metanului - la o temperatură de 700-1100 ° C și o presiune de 0,3-2,5 MPa.

Liderii Institutului de Științe Industriale al Universității din Tokyo, Institutului Național de Știință și Tehnologie Industrială Avansată (AIST), Hitachi Zosen Corp, JGC Corp și EX Research Institute Ltd au luat o decizie pe 18 noiembrie 2016 privind organizarea un nou grup comun de cercetare „Grupul de studiu CCR (capturare și reutilizare a carbonului). Acest grup va dezvolta tehnologii la scară largă care pot produce combustibili lichizi și gazoși, cum ar fi metanul, utilizând dioxidul de carbon atmosferic și hidrogenul produs prin electroliză folosind energie din surse curate și regenerabile.

În primul rând, acest grup se va angaja în cercetări care vizează creșterea eficienței utilizării energiei obținute din surse regenerabile, eficiența tehnologiilor de separare a dioxidului de carbon din atmosferă și utilizarea ulterioară a acestuia și dezvoltarea unor metode noi și mai moderne de producere a hidrogenului din apă prin electroliză.

Tehnologiile viitoare se vor baza pe procese fizice și transformări chimice destul de cunoscute implementate la nivel tehnologic modern. Dioxidul de carbon eliberat în atmosferă prin arderea oricărui tip de combustibil fosil va reacționa cu hidrogenul. Acest hidrogen va fi produs prin electroliză, iar energia necesară pentru aceasta va proveni exclusiv din surse ecologice, în principal din centrale solare și eoliene.

Această tehnologie este considerată nu numai ca o sursă curată de combustibili lichizi și fosili. O altă funcție a acestei tehnologii va fi stocarea excesului de energie primită de la centralele solare și eoliene sub formă de combustibil în orele de consum minim al acesteia.

Grupul CCR se va ocupa de toate tipurile existente de surse regenerabile de energie curată. În plus, vor fi cercetate și dezvoltate noi metode eficiente pentru producerea hidrogenului, separarea dioxidului de carbon și transformarea acestuia în combustibil.

Lucrările asupra tuturor tehnologiilor cercetate și dezvoltate se vor desfășura din două perspective. Prima poziție va fi realizarea unor instalații de dimensiuni reduse, eventual mobile, de putere nu foarte mare, care să poată furniza gaz metan nevoilor unui anumit grup restrâns de persoane (model descentralizat). Iar a doua direcție va fi dezvoltarea unor sisteme de producție la scară largă, care vor avea o putere suficient de mare și care pot fi incluse în rețeaua energetică globală a țării (model centralizat).