Биотопливо

Технологии получения и применения пиролизного биотоплива

Термохимический процесс (называемый также «пиролизом» или «термолизом») можно условно рассматривать состоящим из нескольких стадий, представленных на рисунке 2.3. Начальная стадия включает в себя выделение под действием нагрева до температуры ниже 300 °С экстрактивных компонентов с низкой температурой кипения (включая, воду) и разложения, а также самих продуктов разложения таких компонентов. Далее, при температуре 300-800 °С происходит деструкция термоустойчивых соединений органического вещества с переходом большей части образовавшихся (первичных) продуктов в газообразное и парообразное состояние.

Схема термохимического процесса
Рисунок 2.3. Схема термохимического процесса

Важное замечание: Иногда в научной или технической литературе можно встретить описание термохимических процессов, в которых органическое сырье нагревают до некоторой температуры, якобы, превышающей 750-800 °С. Дело в том, что для каждого вещества существует предельная температура существования в конденсированном (твердом или жидком) состоянии. Так для воды это, как известно, критическая температура (примерно 374 °С), выше которой она не может оставаться в жидком состоянии ни при каком, сколь угодно высоком, внешнем давлении. Все известные, даже самые термоустойчивые, органические соединения распадаются на более легкие компоненты при температуре ниже 750-800 °С. Ошибка заключается в следующем: Когда температура в реакторе, измеряемая неким термодатчиком составляет, например, 100 °С, это означает лишь то, что такого значения она может достигать лишь на поверхности нагреваемого вещества, находящегося в твердом или жидком состоянии, в то время как температура в его объеме, в силу инертности теплообменных процессов, остается ниже предельного значения, характерного для каждого конкретного органического компонента.

При необходимости получения максимального выхода наиболее легких (вторичных) продуктов паро-газовую смесь подвергают нагреву при более высокой температуре (выше 800 °С).

Для разделения продуктов, имеющих разные значения температуры кипения, их направляют в конденсатор для последующего охлаждения. В результате получают жидкую и газообразную фракции – пиролизную жидкость («бионефть») и пиролизный (генераторный, синтез-) газ.

Количество и состав не разложившегося при термическом воздействии (углеподобного) остатка зависит от состава исходного сырья, а также от температуры и продолжительности нагрева. Чем ниже температура и чем дольше происходит нагрев, тем больше образуется твердого продукта. В случае пиролиза лигноцеллюлозного сырья это объясняется, так называемой, «конденсацией» лигнина – наиболее термически устойчивого органического компонента растительной биомассы.

Мы рассматриваем термохимический процесс, протекающий без доступа воздуха из атмосферы. В реальных технологических циклах это условие не всегда выполняется. Более того, существуют целый класс термохимических технологий, в которых чистый кислород или воздух используются для окисления части органического сырья, и за счет выделившейся при этом теплоты, собственно, и осуществляется нагрев. Это, безусловно, влияет на состав и теплотворную способность продуктов во всех трех агрегатных состояниях.

Несомненным преимуществом термохимической технологии получения биотоплива является ее универсальность, поскольку она позволяет использовать практически любое сырье, содержащее органические компоненты. Кроме того, она обеспечивает возможность получения различных видов биотоплива, находящихся во всех трех агрегатных состояниях. При этом массовые доли твердого, жидкого и газообразного продуктов переработки можно регулировать в широких пределах путем изменения технологических параметров процесса.

В зависимости от температуры и продолжительности обработки органического сырья, различают три разновидности технологического процесса (таблица 2.6), целью которых является достижение максимального выхода того или иного конечного продукта.

Типовой состав продуктов пиролиза древесины в различных технологических условиях
Таблица 2.6 Типовой состав продуктов пиролиза древесины в различных технологических условиях

Так для получения большого количества древесного угля при пиролизе древесины обработку производят при относительно низких температурах (300-400 °С) в течение нескольких часов. Этот процесс, известный нашим предкам с давних времен, получил название «карбонизация».

Наоборот, при очень высоких температурах (выше 700-800 °С) и при длительном воздействии на первичные парообразные продукты термической деструкции получают максимально возможные объемы пиролизного газа, преимущественно состоящего из легких, не конденсирующихся при нормальных условиях, углеводородов, моноокиси углерода, водорода и паров воды. Пиролизный газ также называют «генераторным» газом, реже – синтез-газом (в строгом определении синтез-газ представляет собой смесь только водорода и монооксида углерода), а сам процесс – «газификацией».

Третий процесс, названный «быстрым пиролизом», протекает при температурах, достаточных для перевода возможно большего количества органических компонентов в первичные продукты деструкции (450-700 °С). При этом чрезвычайно важно как можно быстрее вывести эти продукты из высокотемпературной зоны в конденсатор, чтобы минимизировать образование вторичных, – более легких, – продуктов разложения.

На этот метод в последнем десятилетии прошлого века возлагали большие надежды в плане замены нефтяных моторных топлив жидким продуктом пиролиза возобновляемого органического сырья. Однако, интенсивные теоретические исследования и многочисленные эксперименты в этой обрасти не увенчались заметным успехом. В настоящее время известны лишь единичные примеры коммерческого использования чистой бионефти, причем не в качестве моторного топлива. Дело в том, что пиролизная жидкость (бионефть) по своим физико-химическим параметрам существенно отличается от жидких углеводородов, применяемых на транспорте (таблица 2.7).

Параметры дизельного топлива и бионефти
Таблица 2.7 Параметры дизельного топлива и бионефти

Она имеет вдвое меньшую теплотворную способность, а ее вязкость в десятки раз выше, по сравнению со моторными топливами, получаемыми из минеральной нефти. Низкая калорийность бионефти объясняется наличием в ней кислорода (около 30 %) и воды (до 20 %, в зависимости от влажности исходного сырья и специфики технологического цикла). Она не растворяется в дизельном топливе или бензине, интенсивно впитывает влагу. Бионефть состоит из различных по химической природе компонентов и, поэтому, проявляет тенденцию к расслаиванию во время хранения. В литературе данные относительно опыта ее применения в качестве топлива ДВС практически отсутствуют, за исключением отдельных экспериментов по приготовлению эмульсий на основе дизельного топлива с добавлением не более 20 % бионефти. В этом случае в целях стабилизации эмульсии использовали специальные поверхностно-активные вещества (ПАВ). К настоящему времени исследования в области адаптации параметров бионефти к условиям применения почти не ведутся, а в качестве альтернативы рассматриваются технологии синтеза моторных топлив из газообразной фракции пиролиза дешевого лигноцеллюлозного сырья.

В начале 2000-х годов сообщалось о строительстве и вводе в эксплуатацию первого крупного комбината по производству бионефти из древесных отходов максимальной производительностью по сырью 10 т в час, построенного компанией DynaMotive Energy Systems в Канаде. Его проектная загрузка составляла 100 т древесных отходов в сутки. Деревообрабатывающее предприятие рассчитывало за счет использования отходов на значительную годовую экономию природного газа – 400 ТДж (в энергетическом выражении).

Пиролизное жидкое биотопливо не пригодно для использования в качестве моторного, но может найти коммерческое применение в автономных системах по комбинированному производству тепла и электроэнергии, оснащенных паровым котлом и паропоршневым двигателем (ППД) внутреннего сгорания или двигателем Стирлинга (внешнего сгорания).

Вообще говоря, использование ДВС, работающего в газодизельном режиме одновременно на пиролизном газе и дизельном топливе тоже возможно (рисунок 2.4).

Схема мини-ТЭС на основе ДВС, работающем на пиролизном и дизельном топливе
Рисунок 2.4. Схема мини-ТЭС на основе ДВС, работающем на пиролизном и дизельном топливе

В процессе работы реактор пиролиза, оснащенный конденсатором, производит твердый (углеподобный компонент), жидкий (бионефть) и газообразный (пиролизный газ) продукты. Очищенный и охлажденный пиролизный газ поступает в ДВС дизельгенераторной установки (ДГУ), который вырабатывает электроэнергию. Для нормального воспламенения горючей смеси в ДВС также подают дизельное топливо (ДТ) в количестве не менее 15 % (запальная доза). Теплота, выделяющаяся при работе ДВС, а также теплота, отдаваемая жидкими и газообразными продуктами пиролиза, утилизируется с помощью теплообменника и посредством теплоносителя (горячая вода) подается потребителям для производственных нужд, отопления и горячего водоснабжения (ГВС).

В системе может быть установлен гомогенизатор для добавления некоторого небольшого количества бионефти в дизельное топливо в целях его экономии и повышения эффективности сгорания смеси.

Изменяя рабочую температуру в реакторе пиролиза, можно в весьма широких пределах изменять соотношение массовых долей жидкого и газообразного продуктов разложения органического сырья (рисунок 2.5), в зависимости от фактической тепловой и электрической нагрузки мини-ТЭС.

Типовая зависимость выхода твердого, жидкого и газообразного продуктов пиролиза от температуры в реакторе
Рисунок 2.5. Типовая зависимость выхода твердого, жидкого и газообразного продуктов пиролиза от температуры в реакторе

Рабочую температуру в ректоре рекомендуется выбирать таким образом, чтобы не производить пиролизный газ в объеме, превышающем текущую потребность ДВС в газообразном топливе. При этом отпадает необходимость сооружения газохранилища (газгольдера). Если при этом образуется избыточная пиролизная жидкость, то ее хранение не вызывает технической сложности, ввиду ее значительно более высокой объемной плотности.

Такая комбинация реактора пиролиза и ДГА позволяет добиться уникальной операционной гибкости мини-ТЭС. Так, при высоком уровне электрической нагрузки температуру в реакторе повышают, чтобы увеличить долю пиролизного газа, а при ее снижении долю газу уменьшают, снижая рабочую температуру. Произведенную при этом избыточную пиролизную жидкость направляют в накопитель для последующего использования в качестве котельного биотоплива.

Имеющиеся данные по эксплуатации газодизельных силовых установок на генераторном газе свидетельствуют о существенном улучшении экологических параметров, а также повышении моторесурса ДВС на 40-50 % по сравнению со стандартным режимом работы на дизельном топливе.