Биогаз и биосингаз: перспективы, особенности и характеристики

Природный и синтетический природный газ являются одними из основных энергоносителей в мире. Но современные тенденции развития теплоэнергетического комплекса, изменения климата и удорожание природного газа требуют новые и альтернативные источники энергии. Наука не стоит на месте, позволяя зачастую использовать нестандартные пути получения энергии.

В данной статье мы рассмотрим вопрос о перспективах биогаза и био-синтетического газа, полученных из биомасс, а также их (биогаза и био-СНГ) характеристики.

Сначала давайте разберемся в терминологии. Биогаз — это газ, полученный за счет естественных природных процессов, искусственно «повторенных» в промышленных масштабах, в то время как био-синтетический газ (сингаз, синтез-газ)— эта газ, полученный в результате био-химических реакций.

Биогаз и биосинтетический газ универсальны. Они могут применяться для производства электричества, тепла, в качестве биотоплива (био-метан). Сырьем для биогаза выступают органические отходы (городские, промышленные, сельскохозяйственные), осадки сточных вод, навоз и удобрения, лесоматериалы, энергетические сельскохозяйственные культуры, отходы сельскохозяйственных культур, силос и проч., которые подвергаются анаэробному дигерированию. Древесные же биомассы, в том числе уголь, не подходят для именно этого процесса из-за высокого содержания лигнина, полимера природного происхождения, но могут быть использованы для получения био-синтетического газа путем термохимической газификации.

Производство биогаза из органических отходов путем анаэробного дигерирования более экономически выгодно по сравнению с получением био-синтетического газа путем газификации. Примерная стоимость комплекса оборудования для получения биогаза объемом до 7500 нм3/ч путем анаэробного дигерирования доходит до 5000$. Для производства биометана из биомасс (метанирование) требуется дополнительно до 2600$ за каждый нм3/ч. Производство биосингаза может обойтись до 20$ за ГДж. Если он еще перерабатывается в синтетический природный газ SNG (метан), капиталовложения увеличиваются дополнительно на 25%.

Эти цены приблизительны и даны по состоянию на 2013 год. В ближайшие 10-15 лет необходимые инвестиции в производство могут увеличиться на 10-15%.

Получение биогаза из биомасс

Процесс анаэробного дигерирования - это микробиологический процесс разложения биомасс в биореакторах в отсутствие кислорода, в результате которого образуется биогаз и сброженный осадок, используемый в последствие в качестве органического удобрения. Данный процесс состоит из гидролиза, кислотогенеза, ацетогенеза и метаногенезиса. На последнем этапе происходит образование метана.

Основными показателями, которые влияют на стоимость производства, являются температура дигерирования (мезофильное аэробное разложение при t 30-45ºC, термофильное аэробное разложение при 50-60ºC), водородный показатель (pH 6,5-8), поддержание постоянного перемешивания рабочей среды, присутствие биогенных веществ (отношение органического углерода к азоту 20-30), время выдержки (до или более 20 дней в зависимости от температуры), присутствие токсических веществ в исходном материале. Также дегирирование может происходить с веществами высокой (концентрация сухого вещества 5-15%) и низкой (более 15%) влажности: первый вариант требует меньше инвестиций, в то время как последний требует меньше эксплуатационных расходов и имеет более высокую производительность по газу на единицу сырья.

Биогаз из растительных остатков

Также существует третий, менее распространенный вариант — получение биогаза из растительных остатков, когда происходит так называемое пассивное (естественное) анаэробное дигерирование. Применение данного способа имеет ограничения, особенно в развивающихся странах, из-за высокого экологического влияния на окружающую среду. Но благодаря внедрению Киотского протокола и Механизма экологического чистого развития* ограничения могут быть сняты.

Сравнительная таблица характеристик биогаза и природного газа

Состав Биогаз Газ из отходов
органического происхождения
Природный газ
Метан 50-70% 35-65% 80-90%
Двуокись углерода 25-45% 15-50% 0,7-1%
Пары воды 1-5% - <1%
Кислород <2% 0-5% 0
Азот <2% 5-40% 0-14%
Сероводород, мг/м3 0-4000 0-100 <3
Аммиак, мг/м3 100 5 0
Водород <1% <3% 0
Другие углеводороды 0 0 3-10
Минимальная теплотворная способность, кВт/нм3 6,5 4,4 9-11
Максимальный индекс Воббе, кВт/нм3 6-10 5-7 12-15

Таблица соотношений некоторых видов биомасс и объема получаемого биогаза

Источник биомасс Объем получаемого биогаза, нм3/год
1 дойная корова (20 м3 в год жидкого навоза) 500
1 свинья (1,5-6 м3 в год жидкого навоза) 42-168
крупный рогатый скот (3-11 м3 в год сухого навоза) 42-168
100 куриц (1,8 м3 куриного помета в год) 240-880
кукурузный силос с 1 Га при условии получения 40-60 т продукции с 1 Га 7040-10560
трава с 1 Га при условии получения 24-43 т продукции с 1 Га 4118 - 6811

Производство биосингаза, в том числе из угля

Био-синтетический газ получается путем термической газификации различных углеродосодержащих биомасс. В процессе газификации происходит образование синтетического газа, соединений водорода и оксидов/диоксидов углерода.

Данный способ был известен уже давно: впервые он начал использоваться в конце XVIII века, широко применялся в Германии во время Второй мировой войны, а первый газогенератор с псевдоожиженным слоем был запотентован в 1921 году.

В зависимости от соотношения водорода и оксидов углерода под действием катализаторов, биосингаз может быть использован как в промышленных целях в различных химических процессах, для получения метана и производства метанола и аммиака, так и для производства биотоплива, различных химикатов и получения электричества.

Процесс газификации угля происходит в реакторах, где осуществляется сначала процесс пиролиза при температуре выше 400°C. В результате происходит образование водородосодержащих летучих веществ, смол, фенола и паров углеводородов. Далее обуглившаяся субстанция газифицируется при температуре 800-1800°C с получением синтез-газа с высоким содержанием водорода и углерода. Коэффициент преобразования энергии в результате газификации угля составляет 70-80%.

Стоимость производства биосингаза зависит от состава завода, является ли он частью предприятия по производству, например, аммика или только синтез-газа, от требований к его составу и комплекса оборудования.

Сводная таблица характеристик синтетического природного газа и синтез-газа из угля с теплотой сгорания 20700 - 27300 кДж/кг

Параметры Биосингаз Биосингаз/Н2 SNG
Производительность, МВт 210-310 210-310 170-260
Поступление угля, ГДж/час 800-1200 800-1200 800-1200
Выход основного продукта, ГДж/час сингаз - 670-1000 сингаз - 560-810
H2 - 110-190
SNG - 560-840
Выход сопутствующих веществ: серной кислоты, кг/ч 120-1350 120-1350 120-1350
Термический КПД процесса газификации, % 73-75 73-75 60
Выброс двуокиси углерода CO2, кт/ПДж 55 55 78
Выброс метана CH4, кт/ПДж 0,0061 0,0061 0,0061
Выброс оксида азота N2O, кт/ПДж 0 0 0
При использовании системы улавливания и удержания углерода
выбросы CO2 уменьшатся до:
до 99% до 99% до 99%

Биометан

Из биогаза и синтез-газа путем метанирования производится биометан, который используется в газораспределительных сетях или в качестве биотоплива. Этот процесс заключается в удалении окисей углерода из сырьевого газа, богатого водородом. Для этого используются такие технологии, как мокрая очистка газа, аминовая очистка, механическая очистка органическими растворителями, а также адсорбция с помощью циклов давлений. А для сжижения метана используются криогенные производственные методы.

Получение биометана началось в 80-ые года XX века на одном из крупнейших заводов промышленного масштаба, который расположен в Северной Дакоте (США) и функционирует уже с 1984 года.

Выводы

Целью данного обзора не было подробное описание технической стороны процесса получения биогаза и сингаза, а лишь экскурс в данную тематику с точки зрения перспектив использования данных видов топлива, их характеристик. В результате проведенного анализа можно с уверенностью сделать вывод, что максимальный производственный потенциал отмечается именно за получением биосингаза, что уже подтверждается широкой распространенностью заводов и предприятий по его производству.

 

*Обязательства развитых стран и стран с переходной экономикой по уменьшению выбросов парниковых газов в атмосферу

По материалам:

Energy technology system analysis programme: Biogas and Bio-syngas Production, 

Energy technology system analysis programme: Syngas Production from Coal