Паливо з відходів

Для перетворення відходів у паливо застосовується гідрогенізація, піроліз і біоконверсія (анаеробне зброджування). Порівняльні характеристики цих процесів приведені в табл.

Технологічні показники	Гідрогенізація	Піроліз	Біоконверсія
Вид вихідної сировини	Водяна суспензія	Висушені відходи	Водяна суспензія
Зміст твердих речовин, %	15	-	3-20
Температура, С	320-359	500-900	20-50
Тиск, МПа	10-30	0,1	0,1
Перемішування	Інтенсивне	Не потрібно	Слабке
Інші характеристики	Використовується окис вуглецю	-	-
Кінцевий продукт	Олія	Олія, напівкокс	Газ
Вихід, % почат. сировини олії напівкоксу газу	23 - -	40 20 -	26
Теплота згоряння, МДж/кг олії напівкоксу газу	7,2 - -	5,7 4,3 -	- - 11,4

Гідрогенізація (від лат. hydrogenium - водень) гідрування, каталітична реакція приєднання водню до простих речовин (елементам) чи хімічним сполукам. Зворотна реакція - відщіплення водню від хімічних сполук - дегідрогенізація. Наприклад, при гідрогенізації СО на різних каталізаторах можна одержати бензин, тверді парафіни.

Проводять при 400‑500 С і тиску водню 20-70 МПа в присутності каталізаторів Fe, Mo, Ni, W. Застосована вперше в Німеччині на початку XX ст. (Ф. Бергиус) для переробки вугілля в олії, бензин, зріджений нафтовий газ.

Переробка бідних воднем низькосортних палив (кам'яних вугіль, сланців, кам'яно-вугільної смоли, мазуту) з метою перетворення їх у збагачені воднем палива і олії чи сировину для подальшої переробки - деструктивна гідрогенізація.

Гідрогенізація відходів заснована на тім, що відходи і лужний каталізатор Na₂CO₃ (вуглекислий натрій) реагують з окисом вуглецю і водяною парою при температурі 300 С и тиску 20 МПа. 85‑90 % органічних речовин у відходах при 250 С и 0,2 МПа перетворюються в бітум, водорозчинні фракції і газ.

Вихід рідкого палива досягав 57 %. Кількість штучної нафти досягало 270 кг із тонни сухих відходів. Отримана нафта (чи олія) мала теплоту згоряння 34 МДж/кг, майже як котельне паливо (41 МДж/кг).

Піроліз це хімічне перетворення одних органічних сполук в інші під впливом теплоти без доступу повітря (окислювача). Застосовується давно для виробництва метанолу, оцтової кислоти, скипидару, а також деревного вугілля.

Сумарна реакція полягає в утворенні з'єднань з високим відношенням Н/С. При піролізі протікають реакції:

Н₂О+СОСО₂+Н₂ (конверсія водяного газу)

Н₂О+ССО+Н₂ (водяна пара+вуглець)

2Н₂О+2СН2СО+3Н₂ (водяна пара + вуглеводень)

Вид одержуваного продукту сильно залежить від умов роботи реактора: температури, швидкості підвищення температури і це є основною проблемою процесу піролізу.

У результаті реакції піроліза утворюються чотири категорії продуктів - смоли, підсмольна вода, органічна фракція і суміш газів, що залишилися.

Рідка органічна фракція є джерелом одержання синтетичної нафти, що має ту ж теплоту згоряння, що і мазут (40,4 МДж/кг М100)

Біоконверсія - процес одержання метану з органічних відходів шляхом керованого анаеробного зброджування відходів при участі бактерій (органічні речовини розкладаються без доступу кисню).

Метод не новий, ще в 1895 р. вуличні ліхтарі в одному з районів м. Эксетер (Англія) забезпечувалися газом, що одержували в результаті шумування стічних вод.

В основі мікробного бродіння лежить механізм, що руйнує зв'язки С‑С і С‑Н з утворенням СО₂ і Н₂О; по суті, це процес, протилежний фотосинтезу.

У Китаї на самих різних відходах працюють 7 млн. фабрик біогазу. Китай у такий спосіб вирішив проблему газифікації села.

У Японії джерелами біогазу служать смітники попередньо відсортованого побутового сміття. "Фабрика" продуктивністю до 20 тис. м³ газу в добу опалює невелику електростанцію потужністю 716 кВт.

Недоліком є необхідність підтримки температури 30‑40 С для протікання біоконверсії, що вимагає розробки нових апаратів для умов України.

Біогаз одержують у біореакторах чи метантенках, де відбувається зброджування при різних температурах, наприклад, термофільному - 50‑55 С. При цьому через 7‑10 діб у біореакторі утворюється біогаз, що може бути використаний як для побутових потреб, так і для виробництва електроенергії.

Зброджування відходів - процес розкладання органічних речовин з утворенням метану і вуглекислого газу, протікає в 3 етапи:

1) розкладання високомолекулярних з'єднань (вуглеводів, жирів, білкових речовин) на низькомолекулярні органічні сполуки;

2) при участі метаноутворюючих бактерій розпад низькомолекулярних з'єднань з утворенням органічних кислот і їхніх солей, а також спиртів, вуглекислого газу (СО₂), водню (Н₂), сірководню (Н₂S) і аміаку (NН₃);

3) бактеріальне перетворення органічних речовин у метан і вуглекислий газ.

Умови протікання процесу:

1) відсутність доступу кисню (для життєдіяльності метаноутворюючих бактерій);

2) підтримка температурного режиму (оптимально 30‑37 С чи при реалізації термофільного процесу 55‑60 С). При зниженні температури збільшується необхідний час перебування сировини в реакторі. Наприклад, при зброджуванні при <15 С час його перебування в реакторі необхідно збільшити в 3 рази в порівнянні з процесом, що протікає при 37 С. Температура впливає і на склад біогазу. При її зростанні прискорюється утворення біогаза, зменшується кількість патогенів, але знижується частка метану в загальному обсязі газів, що виділяються. На вироблення біогазу впливає також концентрація сухої речовини в сировину;

3) підтримка кислотності (величина рН) у діапазоні 6,5‑8,5;

4) збереження визначених хімічних співвідношень у сировині. Наприклад, оптимальне співвідношення вуглецю й азоту (С/N) повинне бути 16‑19. Також необхідна наявність мікроелементів: залізо, молібден, нікель, кобальт, селен.

Процес зброджування може бути загальмований при наявності у сировині синтетичних миючих засобів, а також антибіотиків, що потрапили в гній при прийомі тваринами лікарських засобів.

Сировина для одержання біогазу - це будь-які органічні відходи с/г і підприємств переробки с/г продуктів, що мають рідку чи напіврідку консистенцію. До них відносяться екскременти тварин, рослинний залишки (солома, бадилля, трава), стічні води тваринницьких і птахівницьких ферм, цукрових і спиртових заводів, осади стічних вод комунальних підприємств і полігони ТПВ. Останні є гігантськими біологічними реакторами. Наприклад, у Бразилії при використанні біомаси з винокурних підприємств утворюється настільки значний надлишок електроенергії, що її реалізація робить спирт дешевше нафти. Тільки з цукрової тростини може бути зроблено 50 % енергії, що виробляється зараз у 80‑ти країнах, що розвиваються, де вирощують цю культуру.

У Данії найбільше поширення одержали централізовані біогазові установки (ЦБУ). Одна з них, що працює з 1990 р поблизу м. Райбе, одержує гній з 69 ферм, відходи з боєнь і промислових підприємств. У день для переробки на установку надходить 250 т гною КРС, 86 т свинячого гною, 30 т відходів боєнь, 6 т мулу і 30 т промислових органічних відходів. Вироблення біогазу зі змістом метану до 70 % складає до 12 тис. м³ у день. Одержуваний газ збирається в газгольдері низького тиску, потім стискається до тиску 4 бар і направляється по трубопроводу на ТЕЦ, де з нього виробляють теплоту й електроенергію в когенераційній установці (вироблення е.е. і теплоти). Ця ЦБУ, що замінила 3 вугільних котли, щодоби виробляє 77 МВтгод енергії з яких 15,5 % використовується для нагрівання метантенка і 2,5 % йде для вироблення електроенергії для власних потреб. Зброджена маса повертається як добрива фермерам - постачальникам сировини, надлишок - продається.

Органічні добрива, отримані в результаті анаеробного зброджування, мають високу ефективність і забезпечують додатковий у 20 % приріст врожайності (у порівнянні з використанням незбродженного гною). На відміну від традиційного готування органічних добрив методом компостування, коли губиться до 40 % азоту при анаеробному зброджуванні відбувається мінералізація азоту і фосфору, збільшується в 4 рази амонійного азоту, у 2 рази засвоюваного фосфору. На деяких підприємствах за рубежем залишок після зброджування, що містить коштовні живильні речовини, переробляють у кормові добавки!

Існують наступні типи метантенків: разового завантаження, накопичувального завантаження, безупинного завантаження, високообмінні системи.

Для компенсування нерівномірного виділення біогазу в системах разового завантаження необхідна наявність 3‑4 паралельно працюючих метантенків, що завантажуються в різний час. Використовуються для зброджування густого гною з великим вмістом гною.

Безперервно-накопичувальні - різновид попередньої системи. Завантаження здійснюється в міру нагромадження біомаси. Зброджений гній віддаляється в міру потреби в добривах. Це відносно дешеві системи, широко використовуються на фермах у Німеччині, Люксембургу, Австрії.

Але найбільше поширені в Європі системи з реакторами безупинного завантаження. Сировина завантажується в метантенк регулярно, витісняючи при цьому еквівалентну кількість збродженого матеріалу.

Ідея високообмінних систем полягає в збільшенні кількості бактерій у реакторі, що досягається розміщенням у ньому фіксованих поверхонь (нагромаджувачів), на яких бактерії можуть утримуватися, утворити колонії.

При нормальній роботі реактора, вироблюваний біогаз містить 60‑70 % метану, до 3 % сірководню, домішки водню, аміаку оксидів азоту.

Теплотворна здатність 20 МДж/м³ (60 % метану - мінімум), то при спалюванні 1 м³ біогазу можна одержати 1,7 кВтгод електроенергії (=30,6 %).

Застосування технологій анаеробного зброджування скорочує викиди парникових газів в атмосферу (за рахунок зниження викидів метану при традиційних технологіях збереження гною, і за рахунок заміщення викопних видів палива). У зв'язку з цим виникає потенційна можливість передачі одиниць зниження викидів парникових газів (ERU) у рамках механізмів Кіотського протоколу. 1 ERU дорівнює 1 т СО₂ - еквіваленту, а його ціна коливається $3‑9.

Економічний ефект від природоохоронної дії установок може досягати 60 % від загального прибутку. Для спалювання біогазу, через великий вміст баласту (СО2, N2, Н2О), Інститутом газу НАНУ розроблені спеціальні пальникові пристрої, що забезпечують стабілізацію полум'я.

У Китаї бігазових установок більш 7,6 млн., Індії >1 млн., Японії 2000, Німеччини 600, у Росії кілька десятків, в Україні - одиниці.

Росія: ЗАТ Центр "ЭкоРос" БИОН‑ 1 - 1 т. відходів КРС/доб; біогаз до 40 м³/доб чи 80 кВтгод у добу Е.Е, чи 230 кВт годин на добу теплової енергії. Окупність кілька місяців. Вартість блок-мод. $14000.

Вартість ЕЕ в Україні 0,021 дол/кВтгод.