Биотопливо

Физико-химические процессы, используемые при производстве биотоплива

Процессы, применяемые в технологиях производства различных видов биотоплива, можно условно разделить на две группы: «неглубокая» и «глубокая» переработка.

Неглубокая переработка включает в себя механические и тепловые низкотемпературные процессы, не приводящие к заметным изменениям химического состава компонентов органического сырья. Обычно она применяется при производстве печного топлива, предназначенного для прямого сжигания в твердом виде. К таким топливам относятся, в частности, топливная щепа, топливные гранулы (пеллеты) и брикеты (торфяные брикеты, «евродрова»). Целью такой переработки является приведение основных физико-химических свойств биотоплива (размеры, влажность, калорийность и т. п.) в соответствие с требованиями существующих стандартов. Наиболее энергозатратной стадией такой обработки является удаление влаги. Тем не менее, такие затраты оказываются оправданными, поскольку конечный энергетический продукт обладает более высокими потребительскими свойствами по сравнению с исходным сырьем, и его производство оправдано даже при транспортировке на значительные расстояния для реализации на внешних рынках. Эти виды печного биотоплива обладают строго нормированными физико-химическими параметрами, что обеспечивает стабильность и горения и возможность автоматизированного дистанционного контроля в процессе сжигания. В настоящее время на рынке широко представлены котлы с микропроцессорным управлением для муниципального и индивидуального теплоснабжения, работающие на топливных брикетах в автономном цикле. Такие котлы способны в течение достаточно продолжительного времени поддерживать заданный температурный режим в помещениях в отсутствии оператора.

Глубокая переработка биотопливного сырья предусматривает конверсию исходного органического сырья в продукты, существенно отличающиеся от него по своему компонентному и химическому составу. Для этого могут быть использованы любые факторы внешнего воздействия, вызывающие физикохимические процессы, приводящие к изменению химического состава и агрегатного состояния продуктов переработки исходного биотопливного сырья. К таким факторам относятся, например, нагрев, воздействие мощных источников света, электромагнитной плазмы, токов высокой частоты, жизнедеятельность микроорганизмов, и т. д. В настоящее время широко применяются четыре основные технологии глубокой переработки органического сырья в различные виды биотоплива: пиролиз, переэтерификация растительных масел, этанольное (бутанольное) сбраживание сахаров и крахмала и метаногенез. Кроме того, в технологии производства биоэтанола может применяться предварительная гидролизная обработка исходного сырья с целью получения сахаров из лигноцеллюлозного сырья.

Пиролиз

Пиролизом называется термическое воздействие на исходное органическое сырье в безвоздушной среде. В результате нагрева при температуре выше 300 °С высокомолекулярные компоненты разлагаются с образованием парогазовой смеси, состоящей из соединений, молекулярные массы которых находятся в очень широком диапазоне. После охлаждения наиболее легкие фракции продуктов разложения, такие как водород, окислы углерода азота и серы, низшие углеводороды и т. п., остаются в газообразном состоянии. Более тяжелые соединения конденсируются, образуя жидкую фракцию, известную под названиями «пиролизная жидкость», «бионефть». Пиролизная жидкость состоит из большого числа разнородных компонентов, в силу чего является нестабильной, и со временем деградирует и расслаивается. Такой продукт не может использоваться в качестве моторного топлива, но может найти применение в качестве компонента печного или котельного биотоплива.

Максимальная рабочая температура в реакторе ограничена термохимической стойкостью материалов, из которых он изготовлен, и обычно не превышает 1000 °С. Даже при этой температуре не удается полностью перевести исходное сырье в низкомолекулярные соединения. Поэтому определенная часть общей массы продуктов пиролиза остается в твердом состоянии. При пиролизе растительного сырья твердая фракция пиролиза по своим физико-химическим свойствам аналогична древесному углю и аккумулирует в себе практически все неорганические компоненты исходного сырья.

Массовые соотношения газообразного, жидкого и твердого продуктов пиролиза в значительной степени зависят от технологических условий. Этот факт используется на практике в целях достижения максимально возможного выхода требуемого продукта. Так при производстве древесного угля процесс пиролиза проводят при относительно низких температурах (300-400 °С) в течение достаточно продолжительного времени (несколько часов). В целях получения пиролизной жидкости обработку проводят при средних температурах (500-600 °С). При этом обеспечивают условия для максимально быстрого вывода парогазовой смеси из горячей зоны в конденсатор, чтобы минимизировать эффект дальнейшего разложения первичных продуктов с образованием неконденсирующихся компонентов. Соответственно, чтобы произвести больше пиролизного газа, температуру в реакторе повышают, а время пребывания парогазовой смеси в горячей зоне увеличивают, обеспечивая более полное разложения органического сырья.

Переэтерификация

Переэтерификацию в биотопливной индустрии применяют при переработке растительного масла в метиловый эфир жирных кислот (МЭЖК), применяемый в качестве заменителя дизельного топлива. В ходе этого процесса остатки жирных кислот отщепляются от связывающего их глицерольного стержня и присоединяют к себе радикалы спирта. Эта реакция имеет достаточно высокий барьер, поэтому ее скорость невелика при температурах ниже точки кипения спирта. Чтобы обеспечить приемлемую для промышленной технологии производительность, применяют различные катализаторы (обычно щелочной катализатор).

Продуктом реакции переэтерификации является смесь метиловых эфиров различных жирных кислот, состав которой определяется выбором конкретного вида растительного масла. В серийных дизельных двигателях применение МЭЖК в чистом виде не предусмотрено. Как правило, их добавляют в стандартное дизельное топливо в количестве от 5 до 15-20 %. Полученная смесь получила название «биодизель». При необходимости эксплуатации двигателя с использованием более концентрированных смесей МЭЖК необходима доработка в его топливной системе.

Этанольное (бутанольное) сбраживание

Биоэтанол (биобутанол) является альтернативным видом моторного топлива для бензиновых двигателей. При производстве топливного биоэтанола применяют традиционную технологию анаэробного (т. е. без доступа воздуха) сбраживания сахаров. Под действием ферментов, производимых специальными микрокультурами (дрожжами), сахара разлагаются с выделением метилового спирта и углекислого газа. (Чтобы получить биоэтанол, используют другие штаммы микроорганизмов, в результате жизнедеятельности которых образуется не этиловый, а бутиловый спирт.) Так же как и в случае МЭЖК, биоэтанол в чистом виде применяется только на доработанных двигателях внутреннего сгорания. В обычных ДВС производителями разрешается использовать только этанольно-бензиновые смеси с относительно небольшим (10-15 %) содержанием спирта.

Кислотный гидролиз

Поскольку в природе не существуют (и пока еще не созданы методами генной инженерии) микроорганизмы, способные эффективно разлагать высокомолекулярные компоненты лигноцеллюлозного сырья с образованием спиртов, при производстве биоэтанола из древесины этанольному сбраживанию предшествует процесс «осахаривания» – разложения на сахариды. Обычно осахаривание осуществляют с помощью серной кислоты.

Метаногенез

Метаногенезом называют процесс анаэробного сбраживания органической массы, в результате которого выделяется «биогаз», основным компонентом которого является метан. По своим основным физико-химическим параметрам биогаз соответствует газовым топливам моторного качества и поэтому иногда используется в дизель-генераторных установках для автономного производства тепловой и электрической энергии. К недостаткам биогазовой технологии следует отнести относительно низкую удельную производительность и энергетическую эффективность, что обусловлено довольно большим потреблением тепла на поддержание рабочей температуры в реакторе. Так в условиях умеренного климата средней полосы РФ в холодное время года биогазовая установка может потреблять до 70 % произведенного газа. Данную технологию используют, прежде всего, в целях эффективной утилизации стоков животноводческих ферм, представляющих серьезную экологическую проблему.