Zemní a syntetický zemní plyn patří mezi hlavní světové zdroje energie. Moderní trendy ve vývoji teplárenského komplexu, klimatické změny a rostoucí ceny zemního plynu však vyžadují nové a alternativní zdroje energie. Věda nestojí na místě, často umožňuje využívat nestandardní způsoby získávání energie. V tomto článku se budeme zabývat perspektivami bioplynu a biosyntetického plynu získaného z biomasy a také jejich (bioplyn a bio-LPG) charakteristikami. Nejprve si ujasněme terminologii. Bioplyn je plyn získaný přírodními procesy, uměle „opakovaný“ v průmyslovém měřítku, zatímco biosyngas (syngas, syntézní plyn) je plyn získaný jako výsledek biochemických reakcí. Bioplyn a biosyntetický plyn jsou univerzální. Lze je využít k výrobě elektřiny, tepla a jako biopalivo (biometan). Surovinou pro bioplyn jsou organické odpady (komunální, průmyslové, zemědělské), čistírenské kaly, hnůj a hnojiva, dřevo, energetické plodiny, zemědělský odpad, siláž atd. anaerobní trávení. Dřevní biomasa, včetně uhlí, není pro tento konkrétní proces vhodná kvůli vysokému obsahu ligninu, polymeru přírodního původu, ale lze ji využít k výrobě biosyntetického plynu. termochemické zplyňování. Výroba bioplynu z organického odpadu anaerobní digescí je ekonomičtější ve srovnání s výrobou biosyntetického plynu zplyňováním. Přibližné náklady na sadu zařízení na výrobu bioplynu o objemu až 7500 nm 3 /h anaerobní digescí dosahují 5000 USD. K výrobě biometanu z biomasy (methanace) je zapotřebí dalších až 2600 USD za každý nm 3 /h. Výroba biosyngasu může stát až 20 USD za GJ. Pokud se zpracuje také na syntetický zemní plyn (SNG) (metan), kapitálová investice se zvýší o dalších 25 %. Tyto ceny jsou přibližné a platí pro rok 2013. V příštích 10-15 letech se může požadovaná investice do výroby zvýšit o 10-15%.
Výroba bioplynu z biomasy
Proces anaerobní digesce je mikrobiologický proces rozkladu biomasy v bioreaktorech za nepřítomnosti kyslíku, jehož výsledkem je tvorba bioplynu a vyhnilého kalu, který je následně využíván jako organické hnojivo. Tento proces se skládá z hydrolýzy, acidogeneze, acetogeneze a methanogeneze. V poslední fázi se tvoří metan. Hlavními ukazateli, které ovlivňují cenu výroby, jsou teplota trávení (mezofilní aerobní rozklad při 30-45ºC, termofilní aerobní rozklad při 50-60ºC), hodnota pH (pH 6,5-8), udržování stálého míchání pracovního prostředí, přítomnost biogenních látek (poměr organického uhlíku k dusíku 20-30), doba zdržení (až 20 dní nebo více v závislosti na teplotě), přítomnost toxických látek ve výchozím materiálu. K rozkladu může docházet také u látek s vysokou (koncentrace sušiny 5–15 %) a nízkou (více než 15 %) vlhkostí: první možnost vyžaduje méně investic, zatímco druhá možnost vyžaduje nižší provozní náklady a má vyšší produktivitu plynu na jednotku suroviny.
Bioplyn z rostlinných zbytků
Existuje i třetí, méně obvyklá možnost – výroba bioplynu z rostlinných zbytků, kdy dochází k tzv. pasivní (přirozené) anaerobní digesci. Využití této metody má omezení zejména v rozvojových zemích kvůli vysokému zatížení životního prostředí. Ale díky implementaci Kjótského protokolu a mechanismu čistého rozvoje* lze omezení zrušit. Srovnávací tabulka charakteristik bioplynu a zemního plynu
| Struktura | Bioplyn | Plyn z odpadu organického původu | Zemní plyn |
|---|---|---|---|
| Metan | 50 70-% | 35 65-% | 80 90-% |
| Oxid uhličitý | 25 45-% | 15 50-% | 0,7 1-% |
| Vodní pára | 1 5-% | – | |
| Kyslík | 0 5-% | ||
| Dusík | 5 40-% | 0 14-% | |
| Sirovodík, mg/m3 | 0-4000 | 0-100 | |
| Amoniak, mg/m3 | 100 | 5 | |
| Vodík | |||
| Jiné uhlovodíky | 3-10 | ||
| Minimální výhřevnost, kW/Nm 3 | 6,5 | 4,4 | 9-11 |
| Maximální Wobbeho index, kW/nm 3 | 6-10 | 5-7 | 12-15 |
Tabulka poměrů některých druhů biomasy a objemu vyrobeného bioplynu
| Zdroj biomasy | Objem vyrobeného bioplynu, nm 3 /rok |
|---|---|
| 1 dojnice (20 m3 kejdy za rok) | 500 |
| 1 prase (1,5-6 m3 kejdy za rok) | 42-168 |
| skot (3-11 m3 suchého hnoje za rok) | 42-168 |
| 100 kuřat (1,8 m3 slepičího hnoje za rok) | 240-880 |
| kukuřičná siláž z 1 hektaru pod podmínkou získání 40-60 tun produktů z 1 hektaru | 7040-10560 |
| tráva z 1 hektaru, za předpokladu získání 24-43 tun produktů z 1 hektaru | 4118 – 6811 |
Výroba biosyngasu, mimo jiné z uhlí
Biosyntetický plyn se získává tepelným zplyňováním různé biomasy obsahující uhlík. Během procesu zplyňování dochází k tvorbě syntetického plynu, sloučenin vodíku a oxidů/oxidů uhlíku. Tato metoda je známá již dlouhou dobu: poprvé se začala používat na konci 1921. století, v Německu se hojně používala během druhé světové války a v roce 400 byl patentován první generátor plynu s fluidním ložem. V závislosti na poměru vodíku a oxidů uhlíku za působení katalyzátorů lze biosyngas využít jak pro průmyslové účely v různých chemických procesech, pro výrobu metanu a výrobu metanolu a čpavku, tak pro výrobu biopaliv, různých chemikálií a elektřiny. Proces zplyňování uhlí probíhá v reaktorech, kde proces pyrolýzy probíhá nejprve při teplotách nad 800°C. V důsledku toho se tvoří těkavé látky obsahující vodík, pryskyřice, fenolové a uhlovodíkové páry. Dále se zuhelnatělá látka zplyňuje při teplotě 1800-70°C za vzniku syntézního plynu s vysokým obsahem vodíku a uhlíku. Koeficient přeměny energie v důsledku zplyňování uhlí je 80-XNUMX%. Náklady na výrobu biosyngasu závisí na složení závodu, zda je součástí podniku vyrábějícího např. čpavek nebo pouze syntézní plyn, na požadavcích na jeho složení a komplexu zařízení. Souhrnná tabulka charakteristik syntetického zemního plynu a syntézního plynu z uhlí o výhřevnosti 20700 – 27300 kJ/kg
| Parametry | Biosyngas | Biosyngas/N2 | SNG |
|---|---|---|---|
| Produktivita, MW | 210-310 | 210-310 | 170-260 |
| Zásoba uhlí, GJ/hod | 800-1200 | 800-1200 | 800-1200 |
| Výtěžnost hlavního produktu, GJ/hod | syngas – 670-1000 | syngas – 560-810 H2 – 110-190 | SNG – 560-840 |
| Výtěžnost přidružených látek: kyselina sírová, kg/h | 120-1350 | 120-1350 | 120-1350 |
| Tepelná účinnost procesu zplyňování, % | 73-75 | 73-75 | 60 |
| Emise oxidu uhličitého CO2, kt/PJ | 55 | 55 | 78 |
| CH uvolňování metanu4, kt/PJ | 0,0061 | 0,0061 | 0,0061 |
| Uvolňování oxidu dusnatého N2O, kt/PJ | |||
| Při použití systému zachycování a zadržování uhlíku emise CO2 se sníží na: | až 99% | až 99% | až 99% |
Biometan
Biometan se vyrábí z bioplynu a syntézního plynu metanací, který se používá v rozvodných sítích plynu nebo jako biopalivo. Tento proces zahrnuje odstraňování oxidů uhlíku ze vstupního plynu bohatého na vodík. Mezi technologie, které se k tomu používají, patří mokré čištění plynu, aminové praní, mechanické čištění organickými rozpouštědly a adsorpce pomocí tlakového cyklování. A kryogenní výrobní metody se používají ke zkapalnění metanu. Výroba biometanu začala v 80. letech 1984. století v jednom z největších průmyslových závodů, který se nachází v Severní Dakotě (USA) a funguje od roku XNUMX.
Závěry
Účelem této recenze nebyl detailní popis technické stránky procesu získávání bioplynu a syngasu, ale pouze exkurz do tohoto tématu z pohledu perspektiv využití těchto druhů paliv a jejich vlastností. Na základě analýzy můžeme s jistotou dojít k závěru, že maximální výrobní potenciál je zaznamenán právě pro výrobu biosyngasu, což již potvrzuje široká distribuce továren a podniků na jeho výrobu. *Závazky rozvinutých zemí a zemí s transformující se ekonomikou snížit emise skleníkových plynů do atmosféry Podle materiálů: Program analýzy systému energetických technologií: Výroba bioplynu a biosyngasu, Program analýzy systému energetických technologií: Výroba syngasu z uhlí
