Повышение содержания метана в биогазе путем гидрирования CO2 в прототипе реактора с двойным проходом через оптимизированный Ni

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 9342 (2023) Цитировать эту статью

Подробности о метриках

Повышение содержания метана в биогазе путем гидрирования CO2 в настоящее время признано многообещающим путем эффективного полного использования возобновляемого биогаза с потенциальными преимуществами для хранения возобновляемой водородной энергии и сокращения выбросов парниковых газов. В качестве основного компонента биогаза CO2 может выступать в качестве основы для образования дополнительного CH4 путем гидрирования, что приводит к образованию большего количества биометана. В данной работе процесс модернизации был исследован в прототипе реактора двухпроходного действия с вертикальным выравниванием с использованием оптимизированного катализатора Ni-Ce/Al-MCM-41. Результаты экспериментов показывают, что операция двойного прохода, которая удаляет водяной пар во время работы, может значительно увеличить конверсию CO2, что приводит к более высокому выходу производства CH4. В результате чистота биометана выросла на 15% выше, чем за один проход. Кроме того, проводился поиск оптимального режима процесса в исследуемом диапазоне условий, включающем расход (77–1108 мл/мин), давление (1 атм–20 бар) и температуру (200–500 °С). Испытание на долговечность в течение 458 часов было проведено с использованием полученных оптимальных условий и показало, что оптимизированный катализатор может обеспечивать превосходную стабильность при незначительном влиянии наблюдаемого изменения свойств катализатора. Проведена комплексная характеристика физико-химических свойств свежих и отработанных катализаторов и обсуждены результаты.

В настоящее время возобновляемые источники энергии, такие как солнечная энергия, ветер, геотермальная энергия, гидроэнергетика, твердая биомасса, жидкое биотопливо и биогаз, широко признаны в качестве потенциальных кандидатов на замену энергетических ресурсов на основе ископаемого топлива. Среди этих кандидатов биогаз в последнее время считается новым возобновляемым источником энергии, который можно в основном производить с помощью обычного процесса анаэробного сбраживания органических материалов, таких как сельскохозяйственные остатки, навоз животных, осадки сточных вод и органическая фракция твердых бытовых отходов (ТБО), включая промышленные отходы. отходы. Мировое производство биогаза в Европе, Китае и США составляет 90%, а около половины оставшегося объема приходится на Азию, например, на Таиланд и Индию1. В Таиланде биогаз производится на крахмальных заводах, биотопливных предприятиях и животноводческих фермах1. В течение 2019–2023 годов Индия планировала запустить 5000 новых заводов по производству сжатого биометанового газа (КБГ)1. Хотя нынешнее потребление биогаза составляет небольшую долю, по данным Международного энергетического агентства (МЭА)1, существует высокий потенциал для преобразования всей энергетической системы. Кроме того, Всемирная биогазовая ассоциация (2019 г.) сообщила, что использование биогаза может сократить примерно на 10–13% нынешние мировые выбросы парниковых газов (ПГ)2. В 2018 году почти 60% биогаза было использовано для производства электроэнергии и теплоснабжения. Однако преобразование метана в биогазе в биометан может стать важным технологическим путем глобального роста1. Биогаз в основном содержит 50–70 об.% метана (CH4), 30–50 об.% углекислого газа (CO2) и примеси, такие как азот (N2), кислород (O2), сероводород (H2S), и влажность3. Существует несколько существующих технологий для модернизации производства биометана путем отделения CO2, таких как очистка воды, адсорбция при переменном давлении и химическая обработка3. При использовании этих традиционных методов CO2 выбрасывается и в газовые сети подается только биометан4. Как правило, процессы разделения являются дорогостоящими, поскольку требуются высокое давление или дополнительные химикаты3. Недавно было признано, что гидрирование CO2 в биогазе для производства биометана будет многообещающим способом полного использования биогаза с преимуществами для хранения возобновляемой энергии и сокращения выбросов CO2. Несколько коммерческих заводов, производящих биометан для замены природного газа, в настоящее время расположены в Дании, Швеции, Германии и Нидерландах4.

100 bar) to obtain only moderate density of energy4. Meanwhile, methane is considered a common energy carrier4. Methane has three-fold energy density with respect to hydrogen, while the facilities and infrastructure for transport and storage of methane are well-established4. Storing hydrogen in a form of methane, also known as power to methane (PtM) technology, can be achieved by hydrogenation of CO2 or Sabatier reaction6. Currently, electrolysis and hydrogenation of CO2 have shown high efficiencies of 65–85% and 77–83%, respectively6./p> Fe > Ni > Co > Mo) with the highest selectivity for CH4 formation (Ni > Co > Fe > Ru)11. In addition, its availability and economical prices make it widely used in industries. Nickel can be supported on various metal oxides (i.e., Al2O3, SiO2, etc.) to increase its dispersion. Recently, it is reported that nickel supported on cerium oxide (CeO2) exhibits an excellent performance catalyst for hydrogenation of CO2 into CH412,13. The reversible valence change (Ce4+ and Ce3+) of CeO2 with high oxygen transport capacity provides unique properties such as high oxygen lattice concentration, high oxygen vacancies, and basic surface for CO2 adsorption that are useful for catalysis applications14. It recently reported that CeO2 supported with Ni catalysts exhibits a superior activity for hydrogenation of CO2 than other metal oxides15. However, CeO2 materials which are rare earth metal oxide, are expensive and low surface area materials. The high surface area support materials [mesoporous silica, metal organic framework (MOF), carbon, etc.,] with low prices would be preferred. The MOF structure is limited to low temperature reaction, while carbon supports show low performance for hydrogenation of CO2. Recently, mesoporous silica such as Mobil Composition of Matter No. 41 (MCM-41), containing aluminum (Al-MCM-41) could be prepared from abundant and cheap natural kaolin16. The use of Al-MCM-41 as catalyst support coupled with cerium promoter would be promising for hydrogenation of CO216. In our previous work, the formula of Ni-Ce/Al-MCM-41 has been optimized for the hydrogenation of CO217. However, the parameters including pressure, temperature, and feed flowrate are required for further fine-tuning to obtain the optimum condition./p> 80% with high CH4 selectivity ca. 100% (Fig. 2), but also the contents of methane are high at 77–81% (Fig. 3). In addition, the temperature range of 350–400 °C provided only small CO content less than 0.20%. More specifically, low temperature range of 200–325 °C produced the extremely low CO content of 0.00–0.10%, while high temperature range of 425–500 °C produced slightly higher CO content of 0.26–1.57%. Consequently, the suitable operation temperature was chosen at moderate temperature of 350 °C, and then for the further tests./p> 50 nm)25. This combined structure of mesopore and macropore is related to a broad pore size distribution shown in Fig. 11b. The hysteresis starting at a relatively high relative pressure (p/p0 > 0.5) is an indication of delayed condensation on the adsorption branch. In addition, the hysteresis exhibiting a steep and narrow loop represents a H1 type hysteresis loop24. The materials with type H1 loop would have uniform mesopores, such as mesoporous silicas (e.g., MCM-41, MCM-48, SBA-15, etc.)24,26. This confirms the existence of Al-MCM-41 and contribution of its mesoporous structure./p> 100%) would be caused by the oxidation of Ni metals. In Fig. 13a, it was found that the spent catalysts from the reactor #1 (SR1) gained the weight at the temperature range of 280–540 °C, representing the oxidation zone of Ni, while a slight decrease in weight of sample was observed at 540–725 °C, indicating the combustion zone. Since the amount of oxidation phase is larger than those of combustion component, the final weight of samples is more than 100%. In addition, the final weight gain of samples shows an increasing trend of 0.85, 2.09, and 2.11% for the samples collected from top, middle, and bottom position, respectively, corresponding to the different amount of carbon deposition as confirmed by Raman analyses (Fig. 14). Figure 13b shows the TGA profiles of samples collected from the reactor #2. It was found that weight loss was observed in all samples. The carbon deposition was clearly observed in the reactor #2, caused by methane decomposition./p>

Новости

Повышение содержания метана в биогазе путем гидрирования CO2 в прототипе реактора с двойным проходом через оптимизированный Ni