Реферат: Получение газообразного и жидкого топлива. Получение биогаза, метана, спиртов, тепловой энергии

Процесс разложения органических веществ смешанными культурами микроорганизмов в анаэробных усло­виях, заканчивающийся образованием СН₄ , часто называют «ме­тановым брожением», хотя этот термин не совсем правилен, поскольку сами метанобразующие бактерии многоуглеродные субстраты не сбраживают.

Технология получения метана

Технологически метановое брожение подразделяют на два этапа: созревание метанового биоценоза и ферментацию. В тече­ние первого этапа развиваются бактерии, участвующие в ана­эробном разложении исходных органических веществ и продук­тов их распада. В результате деятельности этих микроорганиз­мов создаются оптимальные условия для активного биосинтеза метана.

Несмотря на сложность и далеко неполную изученность, такая биологическая система достаточно надежна и проста для получения биогаза в промышленных масштабах.

Метановое брожение жидких органических веществ осуществляется в строго анаэробных условиях при 30—40 °С (мезофильный процесс) или 52-60 °С (термофильный процесс). Фермента­цию проводят в реакторах (метантенках) объемом от одного до нескольких тысяч кубических метров. Метантенки выполняются из железобетона или металла. Они могут иметь разную форму и конструкцию, от кубической до цилиндрической, расположеныгоризонтально или вертикально. Лучшей признается яйцеобразная конструкция. Ферментация протекает непрерывно, полупериодически и периодиче­ски. Схема биогазовых установок для переработ­ки жидких субстратов представлена на рис. 3.

Рис. 3. Схема биогазовой установки

Сырье, содержащее 2—12% органических веществ, подается в метантенк через теплообменник, где оно подогревается илиохлаждается до температуры ферментации в метантенке. Место введения сырья в реактор и отбора сброженной массы зависит от конструкции метантенка. Реакторы снабжаются мешалками для перемешивания бродящей массы с целью ускорения процессов и теплообменниками для поддержания необходимой температуры внутри реактора. Образующиеся газы удаляются через газовый колпак, расположенный в верхней части метантенка. Газ, содер­жащий 50—85 % метана и 15—50 % СО₂ , по газопроводу поступа­ет в газохранилище — газгольдер, откуда подается в газовую сеть.

Скорость процесса определяется температурой ферментации (в термофильных условиях она в 2—3 раза выше, чем в мезофильных), химическим составом сырья, его вязкостью, плотно­стью бактериальной ассоциации и степенью перемешивания. Фер­ментация протекает при значениях рН среды, равных 7,0—8,5. При более низком или высоком значении рН она обычно тормо­зится или прекращается совсем. Снижение величины рН среды («прокисание») связано с нарушением равновесия скоростей об­разования летучих жирных кислот (муравьиной, уксусной, особенно пропионовой, а также масляной) и дальнейшим их пре­вращением, заканчивающимся образованием метана. Подобные дефекты вызываются, как правило, увеличением поступления в реактор легкосбраживаемых углеводов, а также нарушением соотношения углерода и азота в субстрате. Оптимальные значе­ния соотношений C:N находятся в пределах 11 —16:1. Повыше­ние значений рН среды (> 8,5) связано либо с высокой кон­центрацией азотсодержащих органических веществ в субстрате и образованием из них в процессе брожения больших количеств аммония, либо наличием в среде значительных концентраций щелочно-земельных металлов.

Указанные нарушения процесса обычно устраняются останов­кой загрузки ферментера новыми порциями сырья. В результате избыток образовавшихся жирных кислот постепенно конвертиру­ется в метан, рН среды повышается до необходимых оптимальных значений, и процесс продолжается. В некоторых случаях уменьшают объем загрузки сырья в реактор.

Важным моментом промышленной технологии получения ме­тана является скорость поступления сырья в реактор или время выдерживания сырья в реакторе. Указанные параметры зависят прежде всего от скорости конверсии органических веществ в ме­тан. Чем интенсивнее процесс брожения, тем выше скорость загрузки сырья в реактор, меньше время выдерживания сырья в реакторе и рентабельнее сам процесс. Существующие в настоя­щее время нормы скорости загрузки сырья находятся в пределе 7—20 % объема субстрата от рабочего объема ферментера в сут­ки. Следовательно, цикличность процесса равна 5—14 сут. Од­нако разработаны технологии, в которых цикличность сокращена до 5—15 ч, или скорость загрузки в пределах 150—400 % в сутки. С большей скоростью происходит образование метана при наличии хорошо растворимых и легко разлагаемых бактериями органических соединений (некоторые виды жидких отходов пи­щевой, микробиологической и других отраслей промышленности, перерабатывающих сельскохозяйственное сырье). Медленнее сбраживаются отходы сельскохозяйственного производства (жи­вотноводства и растениеводства), содержащие твердые органиче­ские включения.

Применяемые широко в настоящее время в практике метантенки относятся к реакторам первого поколения. В них все про­цессы протекают в одной емкости без разделения на стадии или фазы, бактериальные клетки находятся во взвешенном состоянии и по мере нарастания удаляются вместе со сброженной массой. Важным условием нормального функционирования таких реакто­ров является необходимость поддержания равенства скоростей размножения бактерий и поступления сырья в реактор при усло­вии, что концентрация органического вещества в сырье состав­ляет не менее 2 %.

При меньших концентрациях органического вещества плот­ность бактериальных клеток на единицу объема реактора резко падает, и процесс практически останавливается.

Этот недостаток реакторов первого поколения полностью уст­раняется при использовании реакторов второго поколения, в ко­торых бактерии при необходимой для процесса плотности нахо­дятся в закрепленном (иммобилизованном) состоянии. В реакто­рах второго поколения можно сбраживать субстраты с низким содержанием органических соединений (0,5 % сухих веществ) при высокой скорости пропускания через: реактор (такие реакто­ры часто называют «анаэробными фильтрами»). В качестве носителей для закрепления бактерий широко используются галь­ка, керамические, полихлорвиниловые, полиуретановые кольца и стекловолокно. Применение реакторов второго поколения позволя­ет резко повысить процессы деструкции и соответственно снизить их объемы, что имеет важное значение при их широком производстве и эксплуатации.

В последние годы в практику внедряются технологии, осно­ванные на разделении процесса метанового брожения на ста­дии—фазы: кислотную и метановую. Двухфазный процесс осу­ществляется в двух реакторах, соединенных последовательно. Скорость поступления сырья и объемы реакторов рассчитывают­ся так, чтобы в первом протекала только стадия образования кислот, значение рН среды не должно быть выше 6,5. Такая бражка подается во второй реактор, в котором с большой скоростью протекает непосредственно образование метана. Двух­фазный процесс позволяет увеличить его общую скорость в два-три раза. Иногда в практике при использовании двухфазного процесса с целью дополнительного получения товарного биогаза процесс брожения в первом ферментере проводят при 35—37 °С, во втором — при 55 °С. При нормальных условиях ферментации на каждую тонну сброженного органического вещества образует­ся до 300—600 м³ биогаза. Процент разложения органических веществ до метана зависит от скорости процесса и времени вы­держивания сырья в реакторе, обычно эта величина равна 30—60 %.

Концентрация метана в образующемся биогазе зависит от химического состава субстрата: углеводы дают больше углекислоготаза, жиры — больше метана (до 85%). Чем больше вос­становлен субстрат, тем выше концентрация метана.

Метановое брожение — процесс эндотермический, требует по­стоянного подогрева для поддержания необходимой температуры ферментации. Как правило, метантенки и сырье подогреваются за счет сжигания образующегося биогаза. В среднем на поддер­жание требуемой температуры ферментации расходуется от 15— 20 % (мезофильный процесс) до 30—50 % (термофильный про­цесс) биогаза. Поэтому одним из важных моментов эксплуата­ции метантенков является их хорошая теплоизоляция.

Рассмотренный выше процесс метанового брожения касался использования только жидких субстратов. В последние годы ши­рокое развитие имеет технология твердофазной метангенерации, или получение биогаза, при деструкции органических веществ с влажностью 30—40 %. Такие процессы уже имеют практическое применение в США и некоторых странах Западной Европы, на­пример, при переработке городского твердого мусора. Основное условие такого процесса — анаэробиоз и необходимая влаж­ность.

Кроме этого для получения биогаза можно использовать отходы сельского хозяйства, испорченные продукты, стоки крахмалперерабатывающих предприятий, жидкие отходы сахарных заводов, бытовые отходы, сточные воды городов и спиртовых заводов. Процесс ве­дется при температуре 30 — 60°С и рН 6 — 8. Этот способ получе­ния биогаза широко применяют в Индии, Китае, Японии. В на­стоящее время для производства биогаза чаще используют вто­ричные отходы (отходы живот­новодства и сточные воды го­родов), чем первичные (отхо­ды зерноводства, полеводства, хлопководства, пищевой, лег­кой, микробиологической, лес­ной и других отраслей), обла­дающие сравнительно низкой реакционной способностью и нуждающиеся в предваритель­ной обработке.

Биогаз кроме метана и углекислого газа может содержать примеси сероводорода (до 2%), что требует его соответствую­щей очистки.

Теплотворная способность биогаза составляет 5—7 ккал/м³ и зависит от концентрации в нем СО₂ . Один кубический метр био­газа эквивалентен 4 кВт/ч электроэнергии, 0,62 л керосина, 1,5 кг угля, 3,5 кг дров, 0,43 кг бутана. Он может быть использован для получения тепловой энергии, электроэнергии, заменить моторное топливо. Из биогаза можно получить «синтез-газ» (смесь угарного газа и молекулярного водорода), из которого синтезируют метанол, или искусственный бензин.

Образующийся в процессе метанового брожения шлам (жидкий или твердый) является хорошим органо-минеральным удоб­рением. Он может также использоваться для производства цен­ных биологически активных соединений, применяемых в медицине и сельском хозяйстве.

Перечисленные выше физические особенности биогаза и отно­сительная простота его получения, возможность использования в качестве сырья для его производства разнообразных отходов положительным образом отразились на создании и развитии биогазовой промышленности в ряде стран. В России метановое брожение широко применяется в системе биологической очистки городских сточных вод на станциях аэра­ции. В метантенках сбраживают осадки сточных вод и активный ил, образующийся в аэротенках. Две станции, обслуживающие город с населением 8 млн. человек, дают в год 110 млн. м³ био­газа. Термофильное метановое брожение отходов микробиоло­гической промышленности используют в нашей стране для произ­водства биогаза и кормового препарата витамина B₁₂ . Два цеха, перерабатывающие жидкие стоки ацетоно-бутиловой промышлен­ности, производят в год до 7 млн. м³ биогаза и до 1 т витами­на B₁₂ . В Венгрии мезофильное метановое брожение применяется для промышленного производства кристаллического препарата витамина B₁₂ медицинского назна­чения.

В США широкое развитие получает производство биогаза при переработке городского твердого мусора. Например, в пригоро­дах Нью-Йорка действует станция, производящая в год 100 млн. м³ биогаза.

Современное состояние проблем и перспектив в области получе­ния биогаза свидетельствует о том, что анаэробная конверсия орга­нических отходов в метан — наиболее конкурентоспособная об­ласть биоэнергетики. Основное преимущество биогаза состоит в том, что он является возобновляемым источником энергии. Его производство будет так же длительно, как существование жизни на Земле.

ПОЛУЧЕНИЕ СПИРТОВ

Возможность широкого использования, низших спиртов: метанола, этанола, бутанола, бутандиола, а также ацетона и другихрастворителей— в качестве моторного топлива для двигателей внутреннего сгорания и дизельных двигателей вновь вызвала большой интерес к получению перечисленных соединений био­конверсией из растительной биомассы.

Смесь этилового или метилового спиртов с бензином в отношении 10:90 или 20:80 под коммерческим названием «газохол» уже широко применяется в ряде стран для автомобильного транспорта. В свете вышесказанного стоит конкретная задача по разра­ботке, конкурентоспособной промышленной технологии производ­ства этанола для технических целей методами биоконверсии. Метиловый спирт предполагается производить из биомассы мето­дом термохимической конверсии. Бутанол и бутандиол — хоро­шие заменители мазута, их также необходимо добавлять в каче­стве присадок к спиртово-бензиновым смесям для лучшего смеши­вания спиртов и углеводородов.

Микробиологическое получение этилового, бутилового спиртов и бутандиола из углеводов достаточно хорошо изучено и имеет многолетний промышленный опыт.

Этиловый спирт обычно получают из гексоз с помощью бро­жения, вызываемого дрожжами:

С₆ Н₁₂ О₆ 2СН₃ СН₂ ОН + 2СО₂

В качестве сырья используются меласса (отходы сахарного производства), зерновой, картофельный, кукурузный крахмал, который предварительно осахаривается.

Этиловый спирт образуют также в большом количестве бакте­рии, например из рода Zymomonas ( Z. mobilis, Z. anaerobica), Sarcina ventriculi и Erwinia amylovora. Среди продуцентов эта­нола имеются и клостридии, к их числу относятся Clostridium thermocellum и Cl. thermohydrosulphuricum. В последнее время эти микроорганизмы интенсивно изучают, так как некоторые из них способны использовать в качестве сбраживаемого субстрата не только крахмал, но такой непищевой и дешевый продукт, как целлюлоза. Бутиловый спирт и ацетон в промышленности также получают с помощью клостридий.