Энергетика и энергосбережение, Рациональное природопользование:

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