Биотопливо из сырья растительного происхождения

Введение

Развитие мирового научно-технического прогресса, рост численности населения и улучшение его благосостояния привели к резкому увеличению потребления топливно-энергетических ресурсов. В результате происходит истощение запасов топливных сырьевых ресурсов, которые по своей природе являются ограниченными.

На основании изучения статистики новых открытий нефтяных месторождений и остаточных запасов сырой нефти в мире показано, что если остаточные запасы традиционной нефти в недрах в среднем не превышают 275 млрд. т (2 трлн. барр.), то пик добычи неизбежно наступит до 2020 г. Если учитывать все жидкие углеводороды (газовый конденсат, тяжелые нефти, нефтяные пески и др.), то природные остаточные запасы составят от 3 до 4 трлн. барр. В этом случае пик добычи нефти на уровне около 4,5 млрд. т наступает после 2025 г [1].

В последние годы серьезное внимание уделяется экологическим проблемам. Основными первичными энергоресурсами являются ископаемые органические топлива. Однако их сжигание сопровождается большими объемами вредных выбросов, пагубно влияющих на здоровье людей, биосферу и созданную инфраструктуру.

Как известно, транспорт, являясь крупным потребителем энергоресурсов, значительно загрязняет окружающую среду как при использовании моторных топлив в двигателях внутреннего сгорания, так и на стадиях производства моторных топлив и транспортных средств. Углекислый газ, образующийся при сжигании углеводородов, является основной составляющей парниковых газов (по весу). По оценкам экспертов продолжение использования органических топлив в современных масштабах приведет к неизбежному росту концентрации углекислого газа в атмосфере. В случае продолжения существующей политики использования энергоресурсов средняя температура в приземном слое атмосферы к концу текущего столетия может возрасти на 6ºС.

Существует несколько возможных принципиальных решений проблемы истощения ресурсов нефти и возрастания требований к охране окружающей среды. Эти решения состоят в следующем:

1) постепенно переходить к использованию автотранспортом нетрадиционных источников сырой нефти, запасы которых, по самым осторожным оценкам, составляют около 150 млрд. т. Однако затраты на добычу такой нефти и соответственно производство жидкого топлива возрастут кратно.

2) Найти новый способ получения углеводородных моторных топлив. Это направление подразумевает использование технологий производства синтетических моторных топлив (СМТ) из природного газа или угля, которые в перспективе нескольких десятилетий будут требовать меньших затрат на добычу и переработку этих ресурсов по сравнению с получением жидких топлив из сырой нефти.

3) Изменить вид энергоносителя и тип двигателя автомобиля, чтобы устранить зависимость автотранспорта от жидкого углеводородного топлива.

Таким образом, надвигающаяся угроза экологического кризиса вызывает необходимость поиска альтернативных топлив, использование которых будет способствовать снижению выбросов в атмосферу оксида и диоксида углерода, а также оксидов азота. В настоящее время за рубежом основным критерием при выборе альтернативных топлив считают возможность снижения выброса диоксида углерода на 20% (по сравнению с нефтяными топливами), а в будущем - до 50%. С этой точки зрения внимание зарубежных специалистов все больше привлекает возобновляемое растительное и животное сырье [2].

 

 

 

 

 

1. Биотопливо из сырья растительного  происхождения

Производство биотоплива из разных видов биомассы - важное стратегическое направление развития экономики стран Европы, а также Бразилии, США и многих других стран.

Биотопливо - это топливо, которое получают, как правило, из биологического сырья, в качестве которой используют стебли сахарного тростника или семян рапса, кукурузы, сои. Могут также использоваться целлюлоза и различные типы органических отходов. 

Иными словами, биологическое топливо производится из продуктов сельскохозяйственного  происхождения, органических отходов жизнедеятельности человека в местах его концентрированного размещения.

Т.е., сырьем для биотоплива является то, что до сих пор выбрасывалось и создавало огромные кучи мусора и свалки по всей планете. Вот что такое биотопливо, и посему оно приобретает все большую ценность в нашем мире.

В этом главное преимущество биологического топлива перед традиционными источниками получения энергии. Вторым существенным преимуществом является экологичность продуктов сжигания биотоплива в сравнении с канцерогенными выхлопами бензиновых и дизельных двигателей.

К существенным недостаткам биотоплива можно отнести следующие:

• низкая теплотворная способность в сравнении с бензином;
• более высокая себестоимость производства биотоплива;
• коррозионность состава масел биотоплива для тех материалов, которые используются в частях машин и механизмов.

Справедливо сказать, что развитие технологий не стоит на месте, и, безусловно, специалисты и ученые стремятся упростить и удешевить получение биотоплива, при этом максимально улучшив энергетические характеристики каждого вида разрабатываемого биотоплива.

Прогресс в этом направлении огромен за то короткое время, что прошло с начала развития биотехнологий в топливе.

Изготовление биотоплива возможно буквально в любой точке планеты, в отличие от жестко привязанных к недрам нефти и газа.

Различают следующие виды биотоплив:

• твердое биотопливо (дрова, солома);
• жидкое биотопливо (этанол, метанол, биодизель);
• газообразное биотопливо (биогаз, водород). 

 

Далее подробнее рассмотрим основные его виды, технологии добычи и производства.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Твердое биотопливо

Твердое биологическое топливо, которое широко применяют альтернативные источники, производится практически из тех же продуктов, что и биотопливо жидкого типа. Твердое биотопливо в сельском хозяйстве имеет такую же широкую сферу использования, как и жидкое топливо. Самая большая трудность, которая встает перед производителями биотоплива твердого типа – расщепление целлюлозы. На сегодняшний день специалисты и ученые исследуют многие процессы расщепления естественного характера.

Для создания твердого биотоплива необходима так называемая биологическая масса, которая является смесью из органических продуктов.

Наиболее популярными формами биологического топлива для того чтобы его использовали альтернативные системы отопления, являются такие, как:

• гранулы;
• пеллеты;
• брикеты.

Наиболее пригодными материалами для создания твердого топлива являются щепки, сухие ветки, опилки и различные отходы деревообрабатывающей индустрии.

В свое время, от дров как массового вида топлива отказались по двум причинам:

• Во-первых, энергетическая ценность дров сравнительно невелика. При обычном сжигании в горении участвует только часть массы дров, остальное оседает в виде сажи. Это, помимо прочего, делает необходимым периодическую чистку топки нагревательного прибора, использующего дрова в качестве топлива. Первая причина отказа от дров во многом решается использованием принципа двухступенчатого сжигания или пиролиза.
• Во-вторых, дрова обладают длительным временем восполнения. Конечно, на восполнение древесины не нужно миллионов лет, но для динамичной современной энергетики 5-10 лет, которые требуются для превращения семени во взрослое дерево, все равно являются недопустимо длительным сроком. [ http://energomir.net/].

Таким образом, из-за значительного роста расценок на нефть в последние несколько лет население массы стран сокращает потребление нефтяного топлива и увеличивает применение дров, что, в свою очередь, приводит к уничтожению лесов.

На сегодняшний день, по существующим оценкам в процессе  фотосинтеза образуется в мировом масштабе около 200 млрд. тонн древесной биомассы в год, что намного превышает суммарную мировую добычу нефти, угля и природного газа. В России сосредоточено примерно 25% мировых запасов древесины, около 40% которых приходится на Сибирь.

Растительная биомасса различных древесных пород состоит из целлюлозы, лигнина, гемицеллюлоз, экстрагируемых веществ и неорганических примесей [Фенгел Д., Вегнер Г. Древесина (химия, ультраструктура, реакции) Пер.с англ. М.: Лесная промышленность, 1998, 512 с.].

Древесина и ее компоненты подвергаются различным химическим превращениям уже при относительно невысоких температурах. Для термического превращения растительных полимеров в жидкие продукты необходимо осуществить деструкцию макромолекул, предотвратить рекомбинацию образующихся радикалов, увеличить содержание водорода и уменьшить концентрацию кислорода в образующихся продуктах.

Традиционный метод получения жидких углеводородных топлив из растительной биомассы – это пиролиз. При этом образуются жидкие смолообразные продукты достаточно сложного химического состава, а также газообразные и твердые продукты.

2.1. Пиролиз древесины  в жидкие продукты

Древесина и другие целлюлозные материалы в условиях пиролиза ведут себя как смесь трех различных по химической природе компонентов: целлюлозы, лигнина и гемицеллюлозы. Гемицеллюлозы разлагаются первыми в интервале температура 200 – 260  °С, затем происходит распад целлюлозы (240 – 350 °С) и лигнина (280 – 500 °С). Гемицеллюлозы дают при разложении меньше смолы и больше газа, чем целлюлозы. Пр распаде лигнина больше выход ароматических соединений, чем при пиролизе целлюлозы и гемицеллюлоз.

Первичные продукты пиролиза древесины могут подвергаться вторичным превращениям. Состав конечных продуктов зависит от условий процесса (скорость нагрева, конечная температура, продолжительность процесса, наличие или отсутствие кислорода), а также от размера частиц и состава биомассы.

Умеренная температура благоприятствует образованию древесного угля. Нагревание при более высокой температуре (до 500 °С) приводит к увеличению выхода смолы, причем высокоскоростной пиролиз при повышенной температуре способствует протеканию реакций, приводящих к получению низкомолекулярных газообразных и летучих продуктов.

Направления процессов пиролиза древесины можно регулировать путем подбора соответствующих катализаторов [8]. В частности, показана принципиальная возможность воздействия с помощью катализаторов на образование летучих продуктов. Заметное увеличение выхода левоглюкозана (до 10 – 13,4% от массы абсолютно сухой древесины) наблюдалось в случае пиролиза перегретым паром лиственной древесины, пропитанной такими гомогенными катализаторами, как растворы иодноватистой или монохлоруксусной кислот, хлорида маргнаца. Значительное количество левоглюкозенона образуется при обработке перегретым паром древесины осины, целлюлозы и глюкозы в присутствии катализаторов (H2SO4, CoSO4) [10].

Перевод древесины в жидкие продукты и удаление      

 

 

 

 

Сырье получается посредством спрессовывания, которое происходит под большим давлением. Главными преимуществами такого продукта являются его хорошие показатели себестоимости и безопасность с экологической точки зрения, практически не имеет каких либо отходов.

 

 

3. Жидкое биотопливо

 

 

 

 

 

 

 

Существует немало и уже давно известных, и инновационных технологий, позволяющих получать разные виды жидкого биотоплива путем переработки целлюлозосодержащего сырья, в частности древесины [20].

 

 В России чаще всего говорят о твердом биотопливе, как источнике энергии, то есть о превращении биомассы в топливные гранулы, брикеты, уголь и т.п. 

ТВЕРДОЕ БИОЛОГИЧЕСКОЕ ТОПЛИВО: ЭКОНОМИЧНОСТЬ И СНИЖЕНИЕ СЕБЕСТОИМОСТИ ПРОДУКЦИИ Из тех же органических продуктов, что и биотопливо жидкое, производится и твердое биотопливо, имеющее не менее широкую сферу применения в промышленности и сельском хозяйстве. Итак, твердое топливо изготовляется из всевозможных продуктов органического происхождения. Это могут быть части растений, продукты их биологической переработки животными, отходы жизнедеятельности человека. Основная трудность производства твердого биотоплива состоит в  применении технологий для расщепления целлюлозы. Ученые изучают различные естественные процессы, чтобы смоделировать процесс расщепления, происходящий в природе с помощью живых существ и их внутрижелудочной ферментации. Сырьем для создания твердого биотоплива является так называемая биомасса — приготовленная в необходимой консистенции и составе готовая смесь из органического продукта. Изготовление твердого биотоплива заключается в выжимании или выпаривании жидкости из биомассы при регулярном равномерном перемешивании и формирование сухого продукта. Популярными и эффективными формами твердого биотоплива являются: брикеты; гранулы; пеллеты. Общая схема получения топлива из биомассы Распространенным видом сырья для твердого биотоплива является древесина. Как самые пригодные для производства твердого биотоплива используются: сухие ветки; щепки; опилки; отходы от работы деревообрабатывающей и лесной промышленности. Если вам интересно, как производится твердое биотопливо — презентация работы пресса по изготовлению биотоплива из опилок, представлена на видео. Производство топливных гранул из древесины Сырье прессуется под большим давлением, без добавления каких либо составляющих в брикеты или гранулы цилиндрической формы, затем просушивается. Такой продукт имеет хорошие показатели теплотворности и себестоимости, экологичен, практически не имеет каких либо отходов. Для сравнения, примерная теплотворная способность органических источников тепла: дерево влажное: 2400 ккал/кг, зольность до 30%; дерево сухое: 2900 ккал/кг, зольность до 20%; уголь бурый:  3910 ккал/кг, зольность до 40%; уголь черный: 4900 ккал/кг, зольность до 30%; брикеты из опилок: 4400 ккал/кг, зольность до 1%. Таким образом, то же количество тепла можно получить, сжигая в два с половиной раза меньше сырья, если использовать биотопливо из опилок. Производство пеллет из опилок Производство биотоплива из отходов древесины приобрело распространенный характер, заводы по производству пеллет возводятся в прогрессирующих темпах. Для обогрева жилых домов, производственных помещений широко используются котлы на биотопливе, для обслуживания больших площадей строятся экологичные котельные на биотопливе, применяющие топливные брикеты из древесины. Биологическое топливо для биокаминов  Fanola  из древесины Древесина используется как сырье в производстве топливной жидкости для каминов под названием Fanola. Это жидкость полностью биологического происхождения, не выделяющая токсинов при горении, не дымящая, не требующая при установке камина дымоходов и вентиляции. Объем образующегося СО2 сравним с выдыхаемым человеком. Теплотворная способность биотоплива для камина Fanola на 40% выше, чем при сгорании древесины. В приморских районах популярно производить биотопливо из водорослей. Низкая себестоимость, высокое содержание углерода в определенные периоды года, хорошая урожайность такого вида водорослей как морская капуста. Laminaria digitata рассматривается как важнейшее сырье для производства биотоплива. Водоросли составляют более 50% всей биомассы на планете, при этом не требуют затрат на возделывание и самовосстанавливаются с известной периодичностью.