Энергетика и энергосбережение, Рациональное природопользование: комплексное использование отходов и вторичных ресурсов в Российской Федерации Проблемы получения энергоносителей из биомассы В.В. Тепляков Институт Нефтехимического синтеза им. А.В.Топчиева РАН 9 ноября 2007 9 ноября 2007 Динамика образования биогаза анаэробное образование СО2 аэробный режим анаэробное образование СН4 анаэробное Образование биогаза 100 - N2 Состав биогаза, % об. 80 - 60 - 40 CH4 СО2 20 - 0. О2 H2 0 1 мес. 2 мес. 3 мес. 1 год 2 года 3 4 года года Время 5 лет 6 лет 10 лет 9 ноября 2007 Микробиологическое образование газовых смесей газы водород продуценты пурпурные несерные бактерии, клостридии, энтеробактерии, цианобактерии метан метаногенные кислород фототрофные (цианобактерии, зеленые водоросли) аммиак, оксиды азота пурпурные, цианобактерии, азотобактеры сероводород сульфатредукторы оксиды серы пурпурные серные этилен мицелиальные грибы, дрожжи многокомпонентные смеси T = 0 – 100 oC р = 1 – 1,5 атм. ? газоразделение Н2, СН4 СО2 9 ноября 2007 Получение горючих газов микробиологическим способом СО2 СО2 СО2 СО2 десорбер десорбер абсорбер абсорбер O2, CO2 Н2 СН4 O2 СО2 свет десорбер СМВ CН4, CO2 свет наращивание биомассы биомасса - О2 минеральная среда переработка первичной биомассы фильтр культ. жидкость Ar Н2, CO2, Ar доочистка жидкой фазы сухой ост. с/х Ar вода лактат 9 ноября 2007 Аэробный фототрофный реактор наращивания первичной биомассы СО2 O2, CO2 О2 Spirulina platensis, Anabaena variabilis, Chlorella sp. свет биомасса • • • • • поглощение СО2, выделение О2 (на свету) освещение оптим. длина волны - 500 нм Tкомн, pатм. вес сухой биомассы, г минеральная среда время, сутки 9 ноября 2007 Анаэробный биореактор деструкции органического материала (метантенк) О2 CН4, CO2 метаногенное сообщество культуральная жидкость фильтр сухой остаток биомасса • • • • • • Образование биогаза различными метаногенными сообществами: с/х разложение органических веществ выделение биогаза (~60 % СН4 + ~40% СО2) строгая анаэробность отсутствие света Т = 20-30оС, рбиогаза = 1 – 1.2 атм. Метаногенно е сообщество, источник Образование биогаза мл/ г субстрата.су тки мл/ л среды . сутки Курьяново 210-280 70-93 Р. Тясмин 180-240 60-73 Оз. Вонючее 140-250 47-75 Ермолинска я губа 110-160 37-53 9 ноября 2007 Образование биогаза метаногенным сообществом при утилизации различных видов фототрофных микроорганизмов субстрат Образование биогаза (мл/л.сутки) Образование биогаза (мл/г биомассы . сутки) Состав биогаза, об.% СН4 СО2 Н2 Spirulina platensis 125 500 55-78 22-45 1,2 Anabaena variabilis 300 450 56-68 32-44 0,5 Chlorella sp. 300 300 28-30 68-71 1- 4 Образование биогаза метаногенными сообществами при утилизации Anabaena variabilis и других источников биомассы субстрат Образование биогаза, м3 /кг*сутки A. variabilis 0,3-0,5 Свиной навоз 0,3-0,4 Навоз крупного рогатого скота 0,2-0,3 Птичий помет 9 ноября 2007 Анаэробный фототрофный водородный биореактор О2 Н2, CO2, Ar свет • • • • анаэробность освещение оптим. длина волны 750 нм необходимость барботажа инертным к бактериям газом • образование тройной смеси (Н2 + СО2 + инерт) культуральная среда Ar вода Производительность продуцентов молекулярного водорода ФОТОТРОФНЫЕ мл Н2/ч*г сухой биомассы (субстрат – лактат) ХЕМОТРОФНЫЕ мл Н2 ∕ 100 моль субстрата R. rubrum 180 Clostridium butyricum Rb. capsulatus B10* 300 Bacillus polymyxa Tс. roseopersicina ВВС 400 R. albus * Производительность по лактату - 135 л Н2/100 моль лактата при 98 % конверсии 235 (глюкоза) 170 (маннит) 260 (глюкоза) 9 ноября 2007 Непрерывный способ получения газовых смесей биореактор Аэробный фототрофный Метантенк Анаэробный водородный Объем жидкой фазы биореактора, л 0,6 0,84 0,6 Проток среды, сутки-1 0,1 0,07 0,24 Производительность биореактора в непрерывном режиме 1,75 345 133 л поглощ. СО2/ (л реактора·сутки) мл биогаза/ (л реактора·сутки) мл Н2/ (час·л матрицы) СО2 CН4, CO2 O2, CO2 Н2, CO2, Ar свет свет Anabaena variabilis биомасса метаногенное сообщество фильтр культур. жидкость Rhodobacter capsulatus B10 сухой остаток минеральная среда с/х Ar вода 9 ноября 2007 Разделение бинарных газовых смесей биогенного происхождения БИОГАЗ: CH4 ~ 60-70 % СН4 ~ 40-30% СО2 СН4 CH4 мембрана СО2 СО2 Чистый абсорбент Абсорбент + СО2 Рециркуляционный режим Проточный режим СН4 биогаз биогаз СН4 биогаз СН4 воздух + СO2 воздух МК СO2 (в парник, фотосинтез) 9 ноября 2007 Выбор мембраны для АМС толщина селективног о слоя, мкм CH4 CO2 H2 N2 O2 ПДМС ПВТМС 1,5 230 1000 200 90 170 0.2 200 1600 1700 120 450 ПТМСП 5 1600 3200 1600 800 500 полимер проницаемость, Q, л/м2*ч*бар Выбор абсорбента для АМС - дистиллированная вода, - водные растворы карбоната калия (1,0 - 2,14 М водные растворы К2СО3), - пропиленкарбонат (ПК), - моноэтаноламин (1М водный раствор МЭА) 9 ноября 2007 Разделение газовых смесей на лабораторных МК Концентрация, % об. CO2 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 исх. газовая смесь O2 ретентат N2 CH4 биогаз ретентат абсорбент – 1М водный раствор K2CO3; расход абсорбента – 3.5 мл/мин; расход газовой смеси – 30 мл/мин 9 ноября 2007 Разделение бинарных газовых смесей с помощью мембранных контакторов опытного образца мембрана: ПВТМС рабочая площадь: 0,44 м2 размеры модуля: 290·250·170 мм V жидкостной части = 290 мл V газовой части = 290 мл Параметры 5-слойного мембранного контактора опытного образца для разделения бинарной газовой смеси 1М водным раствором К2СО3 при полном поглощении СО2 из газовой смеси 9 об. % СО2 + 81 об. % N2 Расход газовой смеси (9% СО2), мл/мин Время насыщения абсорбента СО2, мин Минимальный (достаточный) расход абсорбента при полном извлечении СО2, мл/мин 18,8 136 2,1 60,0 58 4,9 85,7 39 7,4 200 13 22 9 ноября 2007 Разделение трехкомпонентных газовых смесей с помощью селективного мембранного вентиля (СМВ) Исходный газ (H2 + CO2 + Ar) ретентат (Ar) Ar абсорбент + CO2 абсорбент CO2 H2 пермеат (H2) СМВ опытного образца Мембрана: ПВТМС Рабочая площадь мембраны: 0,35 м2 Размеры модуля: 250·180·110 мм 9 ноября 2007 Разделение трехкомпонентных газовых смесей (Н2/СО2/СН4=40:25:35) с помощью селективного мембранного вентиля (СМВ) опытного образца Состав смеси, % 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 H2 CH4 ` исх.смесь пермеат CO2 ретентат десорбат абсорбент – 1М водный раствор K2CO3; расход абсорбента – 5 мл/мин; поток исх. смеси – 30 мл/мин 9 ноября 2007 Внешний вид лабораторной интегрированной мембранной биореакторной системы для получения горючих газов Фотография 1 – аэробный фотореактор поглощения СО2 и наращивания биомассы; 2 – водородный фототрофный биореактор; 3 – метантенк; 4 – комплекс АМС; 5 – блок анализа ВЭЖХ и Компьютерной обработки результатов. 9 ноября 2007 Схема энергополучения и масштабирование интегрированной мембранной биореакторной системы КПД = 50% Н2 + СН4 турбина МК МК СМВ СО2 Rhodobacter capsulatus B10 (иммоб.) Метаногенное сообщество Anabaena variabilis вода сухой остаток Для полного энергообеспечения сельских домов: лактат вода биореактор аэробный фототрофный метантенк анаэробный водородный жидкая фаза, м3 2,9 4,0 1,14 Кол-во чистого энергоносителя, л/сутки 856 98 Кол-во чистого энергоносителя, моль/сутки 35,4 4,04 Тепловыделение, кВт·сутки 210 6,5 Тепловыделение системы, кВт·сутки ~ 216,5 (9,0 кВт·ч) С учетом КПД ~ 108,2 (4,5 кВт·ч)* 9 ноября 2007 Проект процесса нетермального получения водорода (“HYVOLUTION” IP FP6 № 019825) Система фильтрации и сепарирования БИОМАССА Мембранные контакторы углеводы органические кислоты органические кислоты СВЕТ 9 ноября 2007 Выводы: • Продемонстрированы возможности сочетания биореакторов различного типа с высокоэффективными мембранными устройствами, обеспечивающие получение газообразных энергоносителей в виде отдельных компонентов, которые могут быть непосредственно использованы потребителями. • Представляется, что оптимизация мембранно-биореакторных процессов требует организации адресных систематических исследований на стыке нескольких научных дисциплин (микробиология, биотехнология, мембранная наука и мембранное материаловедение, инжиниринг энергоустановок и т.д.) • Интегрированные мембранные биореакторные системы уже в ближайшее время могут рассматриваться как генераторы энергоносителей, получаемых из биомассы, и служить базой энергетических устройств средней мощности локального назначения. 9 ноября 2007 Работа выполняется при поддержке Программы «Фундаментальные проблемы энергетики» Президиума РАН № 7; Гранта NATO “Science for Peace” № 973991; IP FP6, проект Hyvolution № 019825; PICS 3303; Госконтрактов Минобрнауки № 02.516.11.6090, № 02.516.11.6043 9 ноября 2007 СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ! 9 ноября 2007