Розробка методу виробництва аміаку для безвуглецевої енергетики

Автор(и)

DOI:

https://doi.org/10.15587/1729-4061.2021.243068

Ключові слова:

виробництво аміаку, безвуглецева енергетика, метанова ферментація, амонійний азот, фосфати амонію

Анотація

Аміак має великі перспективи в контексті переходу до безвуглецевої енергетики. Його можна використовувати як паливо в газових турбінах, паливних елементах, двигунах внутрішнього згоряння і спалювати разом з вугіллям. Однак промислове виробництво аміаку базується на процесі Габера-Боша, який передбачає використання природного газу та вугілля, що у такому випадку не робить його дійсно безвуглецевим рішенням. У цьому дослідженні пропонується метод виробництва аміаку, який є екологічно чистим і не потребує використання викопного палива. Він базується на підході до регулювання концентрації амонійного азоту в біогазовому реакторі і полягає у сорбції аміаку з газової фази розчином моноамонійфосфату, одержанні диамонійфосфату та подальшому його нагріванні з виділенням аміаку. Розглянуто фактори, які впливають на вилучення аміаку з відходів, досліджено вплив температури на виділення аміаку з розчину диамонійфосфату, а також оцінена енергетична ефективність методу. Зі збільшенням температури збільшувалась і ступінь аміаку та ступінь регенерації сорбенту. У лабораторних умовах було витрачено 111 Дж/г аміаку енергії. Чим вище концентрація (NH4)2HPO4 у розчині, тим менше енергії потрібно для отримання одиниці маси аміаку. Загальна кількість аміаку, що виділяється, відрізняється залежно від температури. Регенерація сорбенту може бути здійснена з використанням теплової енергії, отриманої на когенераційній установці. Проведено оцінку можливості застосування даного методу для виробництва аміаку в промисловому масштабі шляхом аналізу шляхів застосування аміаку як палива. Потенціал виробництва аміаку в основних галузях тваринництва у Європі і США становить до 11482651,15 і 11582169,5 тонн в рік, відповідно. Використання даного рішення також дозволяє збільшити ефективність виробництва біогазу з відходів з високим вмістом азоту. Запропонований метод виробництва аміаку потенційно може посприяти розвитку безвуглецевої енергетики

Біографії авторів

Сергій Олександрович Жадан, ФОП «Диба А.О.»

Кандидат технічних наук, інженер-дослідник

Євгеній Борисович Шаповалов, Мала академія наук України

Кандидат технічних наук, старший науковий співробітник

Відділ створення навчально-тематичних систем знань

Роман Анатолійович Тарасенко, Інститут телекомунікацій і глобального інформаційного простору

Аспірант

Анатолій Іванович Салюк, Національний університет харчових технологій

Кандидат технічних наук, професор

Кафедра харчової хімії

Посилання

  1. climate & energy framework. European Commission. Available at: https://ec.europa.eu/clima/policies/strategies/2030_en
  2. Reflection Paper - Towards a Sustainable Europe By 2030 (2019). European Commission. Available at: https://ec.europa.eu/info/sites/default/files/rp_sustainable_europe_30-01_en_web.pdf
  3. Going Climate-Neutral by 2050. European Commission. Available at: https://op.europa.eu/en/publication-detail/-/publication/92f6d5bc-76bc-11e9-9f05-01aa75ed71a1
  4. Brouwer, K. M. (2021). Road to EU Climate Neutrality by 2050. Brussels. Available at: https://roadtoclimateneutrality.eu/Energy_Study_Full.pdf
  5. Submission of Japan’s Intended Nationally Determined Contribution (2015). Ministry of Economy, Trade and Industry. Available at: https://www4.unfccc.int/sites/ndcstaging/PublishedDocuments/Japan%20First/20150717_Japan%27s%20INDC.pdf
  6. Kobayashi, H., Hayakawa, A., Somarathne, K. D. K. A., Okafor, E. C. (2019). Science and technology of ammonia combustion. Proceedings of the Combustion Institute, 37 (1), 109–133. doi: https://doi.org/10.1016/j.proci.2018.09.029
  7. Energiekonzept für eine umweltschonende, zuverlässige und bezahlbare Energieversorgung (2010). München. Available at: https://www.bmwi.de/Redaktion/DE/Downloads/E/energiekonzept-2010.pdf?__blob=publicationFile&v=5
  8. Climate Change Act 2008. Available at: https://www.legislation.gov.uk/ukpga/2008/27/contents
  9. Strategiya. Dolgosrochnogo razvitiya rossiyskoy federacii s nizkim urovnem vybrosov parnikovyh gazov do 2050 goda. Available at: https://economy.gov.ru/material/file/babacbb75d32d90e28d3298582d13a75/proekt_strategii.pdf
  10. Hot Cities: battle-ground for Climate change. Available at: https://mirror.unhabitat.org/downloads/docs/E_Hot_Cities.pdf
  11. Apple commits to be 100 percent carbon neutral for its supply chain and products by 2030 (2020). Apple. Available at: https://www.apple.com/newsroom/2020/07/apple-commits-to-be-100-percent-carbon-neutral-for-its-supply-chain-and-products-by-2030/
  12. Salmon, N., Bañares-Alcántara, R. (2021). Green ammonia as a spatial energy vector: a review. Sustainable Energy & Fuels, 5 (11), 2814–2839. doi: https://doi.org/10.1039/d1se00345c
  13. Researchers aim to make ammonia production 100% green. Available at: https://www.eurekalert.org/news-releases/538445
  14. Sosna, M. Kh., Kasym, O. N. (2017). The main trends in the technology development of ammonia production. Oil & Gas Chemistry, 4, 17–21. doi: https://doi.org/10.24411/2310-8266-2017-00036
  15. Service, R. F. (2018). Ammonia – a renewable fuel made from sun, air, and water – could power the globe without carbon. Science. Available at: https://www.science.org/content/article/ammonia-renewable-fuel-made-sun-air-and-water-could-power-globe-without-carbon
  16. Abouelenien, F., Elsaidy, N., Nakashimada, Y. (2013). Simultaneous Ammonia removal and Methane Production from Chicken Manure under Dry Thermophilic Condition. Journal of American Science, 9 (10), 90–94. Available at: http://www.jofamericanscience.org/journals/am-sci/am0910/011_20294am0910_90_94.pdf
  17. Wang, X., Gabauer, W., Li, Z., Ortner, M., Fuchs, W. (2018). Improving exploitation of chicken manure via two-stage anaerobic digestion with an intermediate membrane contactor to extract ammonia. Bioresource Technology, 268, 811–814. doi: https://doi.org/10.1016/j.biortech.2018.08.027
  18. Ivanov, V., Stabnikov, V., Stabnikova, O., Salyuk, A., Shapovalov, E., Ahmed, Z., Tay, J. H. (2019). Iron-containing clay and hematite iron ore in slurry-phase anaerobic digestion of chicken manure. AIMS Materials Science, 6 (5), 821–832. doi: https://doi.org/10.3934/matersci.2019.5.821
  19. Markou, G. (2015). Improved anaerobic digestion performance and biogas production from poultry litter after lowering its nitrogen content. Bioresource Technology, 196, 726–730. doi: https://doi.org/10.1016/j.biortech.2015.07.067
  20. Abouelenien, F., Kitamura, Y., Nishio, N., Nakashimada, Y. (2009). Dry anaerobic ammonia–methane production from chicken manure. Applied Microbiology and Biotechnology, 82 (4), 757–764. doi: https://doi.org/10.1007/s00253-009-1881-3
  21. Abouelenien, F., Fujiwara, W., Namba, Y., Kosseva, M., Nishio, N., Nakashimada, Y. (2010). Improved methane fermentation of chicken manure via ammonia removal by biogas recycle. Bioresource Technology, 101 (16), 6368–6373. doi: https://doi.org/10.1016/j.biortech.2010.03.071
  22. Habibullin, R. E. (1995). Issledovanie i razrabotka intensivnoy biotehnologii anaerobnoy pererabotki kurinogo pometa. Kazan', 18.
  23. Shapovalov, V. B., Shapovalov, E. B., Zhadan, S. O., Saliuk, A. I. (2015). Pat. No. 105080. Sposib otrymannia biohazu ta dobryva z vidkhodiv z vysokym vmistom azotu. No. u201505811; declareted: 12.06.2015; published: 10.03.2016, Bul. No. 5. Available at: https://uapatents.com/3-105080-sposib-otrimannya-biogazu-ta-dobriva-z-vidkhodiv-z-visokim-vmistom-azotu.html
  24. Saliuk, A. I., Shapovalov, E. B., Shapovalov, V. B., Zhadan, S. O. (2016). Pat. No. 114655. Sposib oderzhannia tverdoho mineralnoho dobryva pry metanoviy fermentatsiyi. No. u 201610452; declareted: 17.10.2016; published: 10.03.2017, Bul. No. 5. Available at: https://uapatents.com/5-114655-sposib-oderzhannya-tverdogo-mineralnogo-dobriva-pri-metanovijj-fermentaci.html
  25. Crolius, S. H. (2018). IHI First to Reach 20% Ammonia-Coal Co-Firing Milestone. Ammonia Energy Association. Available at: https://www.ammoniaenergy.org/articles/ihi-first-to-reach-20-ammonia-coal-co-firing-milestone/
  26. Salyuk, A., Zhadan, S., Shapovalov, E., Tarasenko, R. (2017). Methane fermentation of chicken manure under conditions of reduced concentration of inhibitors. Alternative Energy and Ecology, 4-6, 89–98. doi: https://doi.org/10.15518/isjaee.2017.04-06.089-098
  27. Shapovalov, Ye., Zhadan, S., Salyuk, A., Kotinskiy, A. (2018). Regulation of the ammonia nitrogen concentration at the methane fermentation of chicken manure under conditions of the liquid phase recirculation. Scientific Works of NUFT, 24 (6), 65–72. doi: https://doi.org/10.24263/2225-2924-2018-24-6-10
  28. Pratt, P. F., Castellanos, J. Z. (1981). Available nitrogen from animal manures. California Agriculture.
  29. Vedeneev, A. G., Vedeneeva, T. A. (2006). Biogazovye tehnologii v Kyrgyzskoy respublike. Bishkek: Tipografiya "Evro", 90.
  30. Brown, T. (2017). The new generation of fuel cells: fast, furious, and flexible. Ammonia Energy Association. Available at: https://www.ammoniaenergy.org/articles/the-new-generation-of-fuel-cells-fast-furious-and-flexible/
  31. Bartels, J. R. (2008). A feasibility study of implementing an ammonia economy. Iowa State University. doi: https://doi.org/10.31274/etd-180810-1374
  32. Ammonia fuel. Gencell. Available at: https://www.gencellenergy.com/gencell-technology/ammonia-fuel/
  33. Ammonia-Fueled Gas Turbine Power Generation (2017). Ammonia Energy Association. Available at: https://www.ammoniaenergy.org/articles/ammonia-fueled-gas-turbine-power-generation/
  34. Ito, S., Uchida, M., Onishi, S., Kato, S., Fujimori, T., Kobayashi, H. (2018). Performance of Ammonia - Natural Gas Co-Fired Gas Turbine for Power Generation. 2018 AIChE Annual Meeting. Available at: https://www.aiche.org/conferences/aiche-annual-meeting/2018/proceeding/paper/549b-performance-ammonia-natural-gas-co-fired-gas-turbine-power-generation
  35. Crolius, S. H. (2019). The Evolving Context of Ammonia-Coal Co-Firing. Ammonia Energy Association. Available at: https://www.ammoniaenergy.org/articles/the-evolving-context-of-ammonia-coal-co-firing/
  36. Brown, T. (2018). Ammonia for Power: a literature review. Ammonia Energy Association. Available at: https://www.ammoniaenergy.org/articles/ammonia-for-power-a-literature-review/
  37. Grannell, S. M., Assanis, D. N., Bohac, S. V., Gillespie, D. E. (2006). The Operating Features of a Stoichiometric, Ammonia and Gasoline Dual Fueled Spark Ignition Engine. Energy Conversion and Resources. doi: https://doi.org/10.1115/imece2006-13048
  38. Grannell, S. M., Assanis, D. N., Bohac, S. V., Gillespie, D. E. (2008). The Fuel Mix Limits and Efficiency of a Stoichiometric, Ammonia, and Gasoline Dual Fueled Spark Ignition Engine. Journal of Engineering for Gas Turbines and Power, 130 (4). doi: https://doi.org/10.1115/1.2898837
  39. NH3 Car. NH3CAR. Available at: http://nh3car.com/
  40. Reiter, A. J., Kong, S.-C. (2011). Combustion and emissions characteristics of compression-ignition engine using dual ammonia-diesel fuel. Fuel, 90 (1), 87–97. doi: https://doi.org/10.1016/j.fuel.2010.07.055
  41. Reiter, A. J., Kong, S.-C. (2008). Demonstration of Compression-Ignition Engine Combustion Using Ammonia in Reducing Greenhouse Gas Emissions. Energy & Fuels, 22 (5), 2963–2971. doi: https://doi.org/10.1021/ef800140f
  42. Frigo, S., Gentili, R. (2013). Analysis of the behaviour of a 4-stroke Si engine fuelled with ammonia and hydrogen. International Journal of Hydrogen Energy, 38 (3), 1607–1615. doi: https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2012.10.114
  43. Liu, R., Ting, D. S.-K., Checkel, M. D. (2003). Ammonia as a fuel for SI engine. SAE Technical Papers. doi: https://doi.org/10.4271/2003-01-3095
  44. SIP Energy Carriers -The Innovation for Ammonia Fuel in Japan. Available at: https://www.youtube.com/watch?v=5ejL65tKsGM
  45. Crolius, S. H. (2018). Direct Ammonia Fuel Cells Take Another Step Forward in Japan. Ammonia Energy Association. Available at: https://www.ammoniaenergy.org/articles/direct-ammonia-fuel-cells-take-another-step-forward-in-japan/
  46. Technology. Hydrofuel. Available at: https://www.nh3fuel.com/index.php/technology/18-engine-conversions
  47. Kelly-Detwiler, P. (2020). A Key To The ‘Hydrogen Economy’ Is Carbon-Free Ammonia. Forbes. Available at: https://www.forbes.com/sites/peterdetwiler/2020/12/16/maybe-the-hydrogen-economy-will-become-the-ammonia-economy/?sh=4453f9e64936
  48. Dolan, R. H., Anderson, J. E., Wallington, T. J. (2021). Outlook for ammonia as a sustainable transportation fuel. Sustainable Energy & Fuels, 5 (19), 4830–4841. doi: https://doi.org/10.1039/d1se00979f
  49. Hansson, J., Brynolf, S., Fridell, E., Lehtveer, M. (2020). The Potential Role of Ammonia as Marine Fuel – Based on Energy Systems Modeling and Multi-Criteria Decision Analysis. Sustainability, 12 (8), 3265. doi: https://doi.org/10.3390/su12083265
  50. Fuchs, W., Wang, X., Gabauer, W., Ortner, M., Li, Z. (2018). Tackling ammonia inhibition for efficient biogas production from chicken manure: Status and technical trends in Europe and China. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 97, 186–199. doi: https://doi.org/10.1016/j.rser.2018.08.038
  51. Shapovalov, Y., Zhadan, S., Bochmann, G., Salyuk, A., Nykyforov, V. (2020). Dry Anaerobic Digestion of Chicken Manure: A Review. Applied Sciences, 10 (21), 7825. doi: https://doi.org/10.3390/app10217825
  52. Plyatsuk, L., Chernish, E. (2014). Intensification of Anaerobic Microbiological Degradation of Sewage Sludge and Gypsum Waste Under Bio-Sulfidogenic Conditions. The Journal of Solid Waste Technology and Management, 40 (1), 10–23. doi: https://doi.org/10.5276/jswtm.2014.10
  53. Niu, Q., Qiao, W., Qiang, H., Hojo, T., Li, Y.-Y. (2013). Mesophilic methane fermentation of chicken manure at a wide range of ammonia concentration: Stability, inhibition and recovery. Bioresource Technology, 137, 358–367. doi: https://doi.org/10.1016/j.biortech.2013.03.080
  54. Saliuk, A. I., Zhadan, S. O., Shapovalov, Ye. B., Tarasenko, R. A. (2016). Inhibuvannia vyrobnytstva metanu z kuriachoho poslidu amoniynym azotom. Vidnovliuvana Enerhetyka, 1, 79–83.
  55. Pozin, M. E. (1974). Tehnologiya mineral'nyh soley: Udobreniy, pesticidov, promyshlennyh soley, okislov i kislot. Leningrad: Himiya, 792.
  56. Klevke, V. L., Polyakov, N. N., Arsen'eva, L. Z. (1956). Tehnologiya azotnyh udobreniy. Moscow, 290.

##submission.downloads##

Опубліковано

2021-10-31

Як цитувати

Жадан, С. О., Шаповалов, Є. Б., Тарасенко, Р. А., & Салюк, А. І. (2021). Розробка методу виробництва аміаку для безвуглецевої енергетики. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 5(8 (113), 66–75. https://doi.org/10.15587/1729-4061.2021.243068

Номер

Том 5 № 8 (113) (2021): Енергозберігаючі технології та обладнання

Розділ

Енергозберігаючі технології та обладнання

Ліцензія

Авторське право (c) 2021 Sergey Zhadan, Yevhenii Shapovalov, Roman Tarasenko, Anatoliy Salyuk

Creative Commons License

Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Закріплення та умови передачі авторських прав (ідентифікація авторства) здійснюється у Ліцензійному договорі. Зокрема, автори залишають за собою право на авторство свого рукопису та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons CC BY. При цьому вони мають право укладати самостійно додаткові угоди, що стосуються неексклюзивного поширення роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом, але за умови збереження посилання на першу публікацію статті в цьому журналі.

Ліцензійний договір – це документ, в якому автор гарантує, що володіє усіма авторськими правами на твір (рукопис, статтю, тощо).
Автори, підписуючи Ліцензійний договір з ПП «ТЕХНОЛОГІЧНИЙ ЦЕНТР», мають усі права на подальше використання свого твору за умови посилання на наше видання, в якому твір опублікований. Відповідно до умов Ліцензійного договору, Видавець ПП «ТЕХНОЛОГІЧНИЙ ЦЕНТР» не забирає ваші авторські права та отримує від авторів дозвіл на використання та розповсюдження публікації через світові наукові ресурси (власні електронні ресурси, наукометричні бази даних, репозитарії, бібліотеки тощо).
За відсутності підписаного Ліцензійного договору або за відсутністю вказаних в цьому договорі ідентифікаторів, що дають змогу ідентифікувати особу автора, редакція не має права працювати з рукописом.
Важливо пам’ятати, що існує і інший тип угоди між авторами та видавцями – коли авторські права передаються від авторів до видавця. В такому разі автори втрачають права власності на свій твір та не можуть його використовувати в будь-який спосіб.