Современные технологии конверсии биомассы в топливо
Технологии получения твердых, жидких и газообразных топлив из различных видов биомассы – от фотосинтетической до органических отходов – развиваются по двум направлениям: термохимическому и биотехнологическому. В свою очередь термохимические технологии включают в себя следующие процессы: - прямое сжигание; - пиролиз; - газификацию; - сжижение; - быстрый пиролиз; - синтез. К биотехнологическим технологиям относятся такие процессы, как: - биогазовые технологии; - производство эталона; - получение биодизельных топлив, жирных кислот, растительных углеводородов; - получение тепловой энергии. Прямое сжигание – древнейший, но наименее выгодный процесс с к.п.д. получения тепловой энергии 15-18 %. Однако существуют такие виды биомассы, которые выгоднее сжигать при условии создания тепловых агрегатов с более высоким к.п.д. К таким видам биомассы относятся: - солома злаковых и крупяных культур; - стебли подсолнечника и кукурузы, из которых готовят топливные гранулы; - некоторые виды древесины; - древесные отходы; - твердые отходы сельскохозяйственного производства; - городские твердые отходы; - отходы производства сахара из сахарного тростника – багасса, которая при прямом сжигании используется для производства пара, электричества, пульпы, бумаги, картона, корма для животных. В 1995 г. во всем мире было получено около 200 млн. т багассы, из которых 95 % использовалось как топливо для производства сахара, заменив 40 млн. т нефти. Пиролиз – термохимическая конверсия сырья без доступа воздуха при температуре 450-550 оС позволяет из 1 м3 абсолютно сухой древесины получать: 140-180 кг древесного угля, не содержащего ни серы, ни фосфора и используемого для получения лучших сортов стали, 280-400 кг жидких продуктов – метанола, уксусной кислоты, ацетона, фенолов; 80 кг горючих газов – метана, монооксида углерода, водорода. Газификация – сжигание биомассы при температуре 900-1500 оС в присутствии воздуха или кислорода и воды с получением синтез-газа, состоящего из смеси монооксида углерода, водорода и стеклообразной массы (7-10 % массы исходного материала), применяемой как наполнитель для дорожных покрытий. Газификация – более прогрессивный и экономичный способ использования биомассы для получения тепловой энергии, чем пиролиз. Синтез-газ имеет высокий к.п.д. тепловой конверсии. Он может употребляться для получения метанола. Сжижение – это производство жидкого топлива из биомассы путем термической конверсии: термический пиролиз или газификация в присутствии катализаторов. Реакция происходит так, чтобы в качестве основного продукта получалось жидкое топливо, и при этом можно производить уголь и газ. Быстрый пиролиз – биомасса в течение короткого времени подвергается воздействию экстремально высоких температур (700-1400 оС), в результате которого происходят быстрое разложение исходных продуктов и образование новых соединений: этанола, пропилена, углеводородов, близких к бензину. Газ, получаемый с помощью быстрого пиролиза, содержит водород, метан, этилен, пропилен. Использование быстрого пиролиза биомассы выгоднее, чем пиролиза угля, так как биомасса содержит значительно меньше золы, и ее можно подвергнуть воздействию более низких температур. Этому направлению, очевидно, принадлежит будущее. Синтез – каталитический синтез метанола из газов, образующихся из термической конверсии биомассы. Изменяя температуру и давление, а также используя уникальные катализаторы, кроме метанола можно получить целый ряд других соединений. Промежуточные соединения образуются из лигнина. Из 1 т древесины можно синтезировать 410-540 л метанола. Если синтез производить в присутствии водорода, получающегося при электролизе воды, то выход метанола увеличивается до 1400 л. Биогазовые технологии. Биогаз – смесь метана и углекислого газа – продукт метанового брожения органических веществ растительного и животного происхождения, осуществляемого специфическим природным биоценозом анаэробных бактерий различных физиологических групп. Метановое брожение протекает при температурах от 10 до 55 оС в трех четко определенных диапазонах: 10-25 оС – психрофильное; 25-40 оС – мезофильное; 52-55 оС – термофильное; влажность составляет от 8 до 99, оптимальная – 92-93 %. Содержание метана в биогазе варьируется в зависимости от химического состава сырья и может составлять от 50 до 90 %. В зависимости от природы исходного сырья изменяется и выход биогаза: от 200 до 600 л на 1 т абсолютно сухого вещества. К настоящему времени разработано и применяется множество технологий получения биогаза, основанных на использовании различных вариаций температурного режима, влажности, концентраций бактериальной массы, длительности протекания биореакций. Производство этанола. Этанол, а также другие низшие спирты, альдегиды и кетоны – продукты спиртового брожения разнообразных сахаро- и крахмалосодержащих субстратов. Однако наиболее распространенными видами сырья для производства этанола являются отходы сахарного производства: багасса или меласса (сахарная свекла), а также крахмал кукурузы, сорго, картофеля, пшеницы и риса. До недавнего времени в России этанол получали при брожении гидролизной целлюлозы. Наиболее значительный интерес в мире к жидким биотопливам (особенно к этанолу) для использования на транспорте высоким ценам на нефть. Однако и в настоящее время в развивающихся странах он имеет тенденцию к продолжению вследствие экологический проблем. В некоторых странах этанол в чистом виде или в смеси с бензином (газохол) широко применялся в 70-е годы для двигателей внутреннего сгорания. Биодизельное топливо имеет те же характеристики, что и обычные дизельные масла, которые могут использоваться в дизельных двигателях. Биодизельное топливо может быть получено из любого маслосодержащего растения – семян рапса, сои, кактусов и т.д. Преимущество биодизельного топлива состоит в том, что его производство основано на широко известных технологиях получения растительных масел с их дальнейшим метилированием и растительных углеводородов. В 80-е годы возрос интерес к растительным углеводородам. Как правило, эффективные продуценты углеводородов и масел являются представителями тропической и субтропической флоры. Однако и в умеренном климате имеются культурные растения, семена которых содержат значительные количества масел, - подсолнечник, конопля, лен, рапс и др. Получение тепловой энергии активным компостированием (микробным окислением). Использование этого метода для утилизации твердой биомассы и, прежде всего, твердых органических отходов также может внести существенный вклад в энергетику, в частности, в производство тепловой энергии. Метод основан на процессе бактериального окисления твердых органических веществ с образованием тепловой энергии, которая повышает температуру пропускаемого воздуха до 80…90 оС. Путем компрессии температуру выходящих газов можно поднять до 110 оС. В некоторых странах, например в Японии, разработаны опытно-промышленные установки к.п.д. которых достигает 95 %.
|
