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 40%, 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/м3, 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 С02 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: С6Н1206—>-2С2Н50Н+2С02.
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 5%. Последующие технологические стадии — нейтрализация и фильтрование. Применение концентрированных кислот позволяет ускорить гидролиз, но требует использования специальных конструкционных материалов [132]. 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 pH 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% [133].
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— 70%-й этанол. На следующей ступени разгонки концентрация его повышается до 90—95%. 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 ег», базирующееся на локальных ре сурсах 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 [134].
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 размег
Я ров 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 [132]. 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) [134]:
|
Этан производства Сахарный |
Кассава |
Целлюлозосодержащне |
|
н тростник |
отходы |
|
|
Сельскохозяйственный 2,5—13,0 |
3,5 |
— |
|
Подготовительный 4,0—12,0 |
16,5 |
49,0 |
|
Ферментация 0,1—4,0 |
4,3 |
4,0 |
|
Дистилляция 5,0—17,0 |
17,1 |
17,0 |
|
Косвенные затраты 11,0 |
12,0 |
14,0 |
|
Итого 22,6—47,0 |
53,4 |
84,0 |
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.
⇐Производство метанола и топлив на его основе | Моторные топлива из альтернативных сырьевых ресурсов | Газовые топлива⇒