Топлива из биомассы

Топлива из биомассы
Использование биомассы в энергетических целях – комплексный процесс, включающий выращивание
и сбор биологических веществ, различные методы их подготовки и переработки в жидкие,
газообразные и твердые топлива. Биомасса является возобновляемым ресурсом, а переработка
сельскохозяйственных, лесных и бытовых отходов способствует охране окружающей среды от
загрязнений.
Растительная биомасса представляет собой сложную смесь различных соединений. В расчете на
сухое вещество в ней содержится 5–30% водорастворимых соединений (сахара, крахмал, мочевина,
соли), 5–40% протеинов, 25–90% целлюлозы и гемицеллюлозы, 5–30% лигнина, 1–13% нерастворимых
в воде неорганических соединений (золы). Растительная биомасса характеризуется высоким
содержанием кислорода, достигающим 407о, пренебрежимо малым содержанием такого
нежелательного элемента, как сера.
К, недостаткам биомассы как сырья для получения моторных топлив относятся рассредоточенность ее
запасов и необходимость поддержания экологического равновесия. Сырая биомасса отличается
высокой влажностью (30–90%)- Энергоплотность сырой биомассы колеблется в пределах 1–15 ГДж/м,
и даже после сушки ее теплота сгорания остается относительно низкой–16–24 ГДж/т.
Превращение биомассы в топлива, пригодные для непосредственного использования, осуществляется
термохимическими или биохимическими процессами. К термохимическим процессам переработки
относятся прямое сжигание, пиролиз, газификация и экстракция масел, к биохимическим–ферментация
и анаэробное разложение. Перед переработкой биомасса обычно проходит стадии подготовки,
включающие измельчение, сушку и др. При переработке биомассы в моторные топлива наибольший
интерес представляет газификация с получением синтез-газа (преобразуемого затем в метанол или
углеводороды), а также ферментация с получением этанола. Процесс получения синтез-газа во многом
аналогичен газификации угля (см. раздел 3.2). При газификации древесины при 300 °С в присутствии
кислорода образуется в основном диоксид углерода. При повышении температуры до 600 °С получают
смесь, в которой помимо СО2 присутствуют водород, оксид углерода,- метан, пары спиртов,
органических кислот и высших углеводородов. Выход газообразных продуктов при этом не превышает
обычно 40% (масс.) на сырье. В связи с меньшими энергетической плотностью и теплотой сгорания
биомассы газификация ее менее эффективна, чем газификация угля. Поэтому, несмотря на
проводимые во многих странах исследовательские и конструкторские работы в этой области, процессы
газификации биомассы пока не получили широкой промышленной реализации.
Ферментация (сбраживание) биомассы известна давно и получила большое распространение во всем
мире. Она основана на способности микроорганизмов, прежде всего дрожжей, расщеплять простые
сахара в отсутствие кислорода до этанола и диоксида углерода: С6Н12O6→2С2Н5ОН+2CO2.
Простые сахара в виде сахарозы (димеров глюкозы и фруктозы) непосредственно ферментируются в
этанол. Они, однако, содержатся в достаточной концентрации лишь в небольшом числе растений,
прежде всего в сахарном тростнике и сахарной свекле. В некоторых сельскохозяйственных культурах
(картофеле, кукурузе и других зерновых) довольно много крахмала, представляющего собой олигомер
глюкозы. В древесине и растительных сельскохозяйственных отходах сахара содержатся в виде
целлюлозы и гемицеллюлозы. Олигомеры и полимеры Сахаров перед ферментацией превращают в
моносахариды путем гидролиза:
Крахмал и гемицеллюлоза гидролизуются в сравнительно мягких условиях с использованием сильно
разбавленных кислот, тогда как для разложения целлюлозы требуются более концентрированные
кислоты и повышенные температуры.
Кислотный гидролиз обычно осуществляется в вертикальных цилиндрических аппаратах, которые
заполняют древесиной и через нее пропускают разбавленную серную или соляную кислоту.
Температура в аппарате медленно повышается до 185 °С. Продолжительность реакции составляет
2,5–3,0 ч. Средняя концентрация сахара в растворе, выходящем из реактора, составляет около 57о.
Последующие
технологические
стадии
–нейтрализация
и
фильтрование.
Применение
концентрированных кислот позволяет ускорить гидролиз, но требует использования специальных
конструкционных материалов . Кислотному гидролизу свойствен ряд недостатков, из которых следует
отметить малый выход конечного продукта, возможность разрушения гемицеллюлозы до
неферментируемых продуктов и низкое качество побочного продукта –лигнина, который трудно
утилизировать.
В связи с этим в последние годы внимание исследователей направлено на ферментационный
гидролиз с использованием специальных микроорганизмов. Такой гидролиз обеспечивает высокий
выход глюкозы, а получаемый при этом лигнин можно непосредственно использовать в производстве
фенольных смол. Однако стоимость получения энзимов в настоящее время еще очень высока, а
разработанные на их основе процессы малопроизводительны. Поэтому целлюлозное сырье не находит
в настоящее время широкого применения в промышленном производстве этанола.
Технология дрожжевой ферментации Сахаров достаточно проста. Наибольшее распространение
получили периодические процессы. Микробная культура и субстрат, содержащий сахара, загружаются
в реактор, и процесс образования спирта продолжается от 4 до 10 сут. Содержимое реактора
постоянно перемешивается механическим способом или за счет естественного барботажа
выделяющегося диоксида углерода. По мере роста микробной культуры в аппарат периодически
добавляют субстрат с постепенно уменьшающимися интервалами подачи. Скорость роста
микроорганизмов и выход этанола зависят от температуры, которая обычно не должна превышать 30–
38°С. По мере повышения концентрации этанола оптимальная температура роста клеток микробной
культуры снижается и требуется охлаждение реактора. Важным условием роста клеток является рН
среды: для дрожжевых культур –не более 4,5. Высокая концентрация спирта в реакторе вызывает
снижение скорости роста дрожжевой культуры и ее способности превращать сахара в этанол, поэтому
содержание спирта в ферментационной среде не должно превышать 11–14% .
Повышение производительности установок получения этанола из биомассы достигается применением
непрерывных способов ферментации. Для этих процессов могут использоваться такие же или
модифицированные реакторы. Подача субстрата осуществляется непрерывно, а высокая
концентрация дрожжевых культур обеспечивается за счет их выделения из отходящего потока и
возврата в реактор. Концентрация спирта поддерживается в пределах 4,5-7,0%. Для получения 95%-го
спирта выходящий из аппарата продукт проходит несколько ступеней разделения. На первой жидкость
отгоняется от твердых остатков. Затем жидкость фракционируется и получается 50– 707о-й этанол. На
следующей ступени разгонки концентрация его повышается до 90–957о. Более высокая концентрация
спирта может быть достигнута только азеотропной перегонкой. Дистилляция спирта – самая
энергоемкая и технологически сложная стадия всего процесса получения этанола ферментацией.
Помимо спирта при ферментации и дистилляции образуются остатки и отгоны, по объему
превосходящие объем спирта в 10–15 раз. Утилизация их затруднительна, и они оказывают вредное
влияние на окружающую среду.
Сельскохозяйственные и органические бытовые отходы можно подвергать анаэробной ферментации с
получением биогаза с высоким содержанием метана. В сжатом или сжиженном виде этот газ можно
использовать в качестве моторного топлива. Однако производство его, базирующееся на локальных
ресурсах сырья, как правило, невелико. Образуется газ при давлении, близком к атмосферному, и в
нем присутствует 30–50% диоксида углерода, сера и аммиак (следы). Кроме того, процесс анаэробной
ферментации является периодическим, и состав получаемого газа трудно регулировать. В связи с
указанными недостатками биогаз используют в основном в качестве котельного топлива для местных
нужд.
Определенный интерес представляет использование в качестве моторного топлива для дизельных
двигателей растительных масел. Масла, содержащиеся в семенах и плодах подсолнечника,
хлопчатника, сои, клещевины, кокоса и ряда других масличных культур, представляют собой
окисленные углеводороды, в основном триглицериды, близкие по теплоте сгорания к дизельному
топливу. Масло выделяется. из масличных культур путем выжимки и экстрагирования
(трихлорэтиленом или гексаном) и очищается методами нейтрализации, вымораживания или
фильтрования.
Однако растительные масла нестабильны и имеют повышенную вязкость и коксуемость. Эти
недостатки могут быть частично устранены, если применять их в смеси с дизельным топливом или
перевести в метиловые и этиловые эфиры. Мировое производство растительных масел не превышает
35 млн. т в год, и все они практически целиком потребляются пищевой и химической
промышленностью. Стоимость растительных масел в несколько раз превышает стоимость дизельного
топлива, получаемого из нефти.
Таким образом, хотя сырьевых источников для производства биотоплив много, на практике круг их
сужается вследствие географических, климатических, экономических и других факторов. Пищевые
культуры исключаются из баланса, поскольку являются не менее дефицитными сегодня для
производства продуктов питания. Сельскохозяйственные культуры – сезонное сырье и их
выращивание требует больших земельных площадей. Например, для производства в США 3,8 млрд. л
в год этанола нужно собрать урожай с 2 млн. га. В то же время ежегодный объем производства
бензина в США – 380 млрд. л., а под весь урожай кукурузы отводится около 28 млн. га .
Вследствие рассредоточенности и большой влажности биомассы затраты на сбор и транспорт
составляют 50% (и более) стоимости конечного продукта. Поэтому совершенствование технологии
переработки биомассы не в состоянии значительно снизить себестоимость топлив. Здесь требуются
меры по интенсификации и удешевлению выращивания и сбора урожая сырья. Например, для более
доступной, чем сельскохозяйственная, древесной биомассы возможно создание «энергетических»
лесоводческих плантаций. В отличие от обычных лесоводческих хозяйств, рассчитанных на
выращивание деревьев больших размеров с периодом оборота от 30 до 80 лет, на таких плантациях
выращивают быстрорастущие сорта деревьев до относительно небольших размеров, но с более
плотной посадкой. При этом период оборота снижается до 20 и менее лет, и среднегодовой прирост
сухой биомассы на 1 га может составлять 12–24 т против 2,5–7,5 т в обычном лесу . Для таких хозяйств
необходимы
площади,
пригодные
для
применения
средств
механизации.
Производство топлив из биомассы пока характеризуется низкой энергетической эффективностью. Это
объясняется не только тем, что на выращивание, сбор и подготовку сырья расходуются значительные
количества топлива и электроэнергии, энергоемкие удобрения, но и невысоким термическим к. п. д.
процессов переработки. Энергетические затраты на получение этанола из различных видов биомассы
составляют (ГДж/т) :
Таким образом, при производстве этанола потребляется столько же (или даже больше) энергии,
сколько ее содержится в получаемом спирте, теплота сгорания которого составляет 27 ГДж/т.
Несмотря на отмеченные недостатки, по мнению ряда специалистов, биомасса может стать в будущем
значительным источником для получения моторных топлив и, прежде всего,, в странах с
ограниченными ресурсами горючих природных ископаемых, но расположенных в теплых климатических
зонах и обладающих площадями свободных земель. Примером таких, стран может служить Бразилия,
где уже широко применяется, производство и использование на транспорте этанола.