Биотопливо

Технологии приготовления котельных биотоплив

Источники и виды возобновляемого сырья

В экологическом и социально-экономическом плане котельные биотоплива выгодно отличаются от биотоплив, предназначенных для использования в ДВС тем, что для их приготовления не требуется особое, как правило – дорогое, органическое сырье продовольственного или кормового применения. Поэтому развитие данного направления не влечет за собой негативных последствий для традиционно сложившейся инфраструктуры сельскохозяйственного производства. Возобновляемым органическим сырьем для таких биотоплив являются отходы лесозаготовки и деревообработки, растениеводства, животноводства, предприятий местной промышленности и т. д.

В качестве компонентов исходного сырья для приготовления жидких котельных биотоплив могут быть использованы самые различные органические материалы: торф, отходы животноводства и птицеводства, отработавшие жарочные масла, отходы спиртового производства, иловые осадки и сточные воды, фито- и зоопланктон и т. д.

С энергетической точки зрения, практически все природные органические материалы представляют собой не самый оптимальный вариант выбора биотопливного сырья, поскольку почти все они характеризуются низкой удельной теплотой сгорания. Энергетическую ценность природного сырья снижает содержащийся в них кислород, который присутствует в них как на химическом уровне (в составе молекул), так и в виде свободной воды. В связи с этим возникает двоякая технологическая задача: повысить энергетическую ценность конечного продукта или/и разработать адекватные методы и средства, позволяющие надежно и эффективно сжигать низкокалорийные водосодержащие горючие материалы.

Первую часть задачи можно решить, применив принцип, которому последовали при разработке стандартов на моторные биотоплива. Как известно, разработанные моторные биотоплива (биоэтанол и биодизель) в чистом виде почти не используют. Как правило, их добавляют в небольших количествах, соответственно, к обычному бензину или дизельному топливу. Технический смысл такого подхода состоит в том, что в этом случае нет необходимости в серьезном пересмотре конструкции серийно выпускаемых ДВС, и они могут эффективно и надежно работать как на нефтяном топливе, так и на смеси нефтяного топлива с биотопливными добавками.

В то время как экологическая эффективность применения моторных биотоплив сказывается скорее на глобальном уровне (при сохранении основных характеристик работы конкретного двигателя уменьшается вклад ископаемого топливного сырья в парниковый эффект), применяя данный подход к котельным биотопливам, можно существенно повысить экологические характеристики каждой конкретной тепловой установки благодаря более полному сгоранию нефтепродуктов (например, мазута) в смеси с кислородсодержащими органическими компонентами.

В таблице 4.1 перечислены некоторые виды минерального и органического сырья, которые могут быть использованы при производстве котельного композитного минеральноорганического биотоплива (КМОБТ). Этот список может быть значительно расширен. Основные требования к минеральным и органическим компонентам – возможность получения ультрадисперсных суспензий и эмульсий, а также отсутствие в их составе радиоактивных и химически стойких ядовитых веществ.

Минеральное и органическое и сырье для приготовления композитного котельного биотоплива
Таблица 4.1. Минеральное и органическое и сырье для приготовления композитного котельного биотоплива

Хорошо известным прототипом композитного минеральноорганического биотоплива (КМОБТ) являются водомазутные топлива (ВМТ), представляющие собой тонкодисперсные эмульсии с содержанием воды от 5 до 20 %. Данная концепция позволяет не только экономить углеводородное сырье, но и обеспечивает существенный экологический эффект, так как при сжигании ВМТ имеет место заметное снижение выброса вредных веществ с дымовыми газами. В частности установлено, что содержание сажи уменьшается примерно вдвое, по сравнению со стандартным мазутом. Также, за счет более полного сгорания топлива, снижаются выбросы в атмосферу таких вредных компонентов, как окислы азота (на 30-55 %), угарного газа углерода (на 85-99 %) и полициклических ароматических углеводородов, в том числе бензапирена (на 60-90 %).

Снижение вредных выбросов объясняется высокой эффективностью горения водосодержащих топливных смесей благодаря улучшению дисперсности при распылении форсункой и, следовательно, увеличению активной поверхности частиц. Капли воды подвержены действию эффекта «микровзрыва», который заключается в том, что в пламени, капли воды мгновенно испаряются, способствуя дополнительному дроблению капель топлива. Кроме того, вода может играть роль сверхкритического катализатора в процессе горения смеси.

Поскольку наличие воды является характерным свойством любой растительной биомассы, ее добавление в нефтепродукты позволяет получать минерально-органические биотоплива, дающие экологический эффект не только на стадии сжигания, как это имеет место в случае ВМТ, но и в глобальном аспекте, так как при этом удается частично (по мере замещения ископаемого топливного сырья возобновляемым) компенсировать нарушение углеродного баланса.

Методы получения композитных котельных биотоплив

Наиболее простой и эффективный во всех отношениях метод получения жидких биотоплив котельного/печного качества состоит в смешивании углеводородов ископаемого происхождения с возобновляемым органическим сырьем. Чтобы приготовить такое композитное минерально-органическое биотопливо (КМОБТ), необходимо выполнить, по крайней мере, одно очень важное условие.

Любое композитное топливо представляет собой многофазную гетерогенную дисперсную систему, в которой одновременно могут присутствовать разнородные жидкие и твердые (например, угольная или лигноцеллюлозная пыль) частицы, а также газы во взвешенном состоянии. Если дисперсная система образована только жидкостями, то ее называют эмульсией. Система, содержащая твердые частицы или/и частицы газа называется суспензией.

Количественным показателем распределения взвешенного вещества является степень дисперсности D = 1/a, где а средний размер частицы. В реальной системе сосуществуют частицы разных размеров, поэтому для адекватного количественного описания дисперсной системы необходимо знать функцию распределения частиц/капель по размерам.

Статистическое распределение взвешенных частиц, с одной стороны, определяет стабильность многофазной системы (ее способность противостоять гравитационным силам, под действием которых происходит расслоение фракций с различной объемной плотностью), с другой – принципиальным образом влияет на процесс сжигания дисперсных смесей.

Устойчивость жидкофазных дисперсных систем зависит от склонности взвешенных частиц (пузырьков газа или капель) сливаться друг с другом, образуя более крупные частицы. Это явление называется коалесценцией. Движущей силой коалесценции является молекулярное взаимодействие. Это спонтанный процесс, приводящий к уменьшению свободной энергии системы.

Действительно, соединяясь вместе, две капли образуют более крупную каплю с общей поверхностью, площадь которой оказывается меньше суммы площадей исходных капель. Поэтому потенциальная энергия в новом состоянии уменьшается. Процесс коалесценции капель является начальной стадией расслоения эмульсии, образованной разнородными жидкостями, или взвеси, представляющей собой гетерофазную систему.

Скорость коалесценции находится в обратной зависимости от начального размера частиц эмульсии/взвеси. Следовательно, чем меньше частицы, тем стабильнее эмульсия или взвесь. Таким образом, основная технологическая задача, решаемая при получении композитных биотоплив состоит в том, чтобы максимально диспергировать (раздробить/измельчить) взвешенные частицы.

Для этого существуют различные методы – от простого перемешивания с помощью лопастных или иных смесителей, до гидродинамических и ультразвуковых (УЗ) гомогенизаторов. К настоящему времени наилучшие результаты достигнуты на гомогенизирующих устройствах, работающих по комбинированному принципу гидродинамической и гидроакустической кавитации. Приготовленные по этой технологии КМОБТ сохраняют свои основные эксплуатационные параметры в процессе длительного хранения даже при отрицательных температурах.

Кавитация

Явление, получившее название «кавитация» (лат. cavitas – пустота), заключается в образовании в жидкой среде полостей (кавитационных пузырьков, или каверн), заполненных паром, при последующем схлопывании которых локально выделяется энергия, на несколько порядков превышающая, средний энергетический (температурный) уровень в данной среде. При кавитации имеет место разрыв сплошности жидкой среды в результате резкого локального понижения давления. Это связано с наличием неоднородностей в реальных жидкостях.

Если бы жидкость была идеально однородной то, при идеальном смачивании твердых поверхностей, с которым она граничит, разрыв происходил бы при давлении ниже давления насыщенного пара жидкости. В реальных системах разрыв происходит при давлении насыщенного пара. Дефицит прочности реальных жидки сред связан с наличием в них кавитационных зародышей, возникающих на плохо смачиваемых участках поверхности контакта с твердым телом, и на других дефектах границы раздела фаз.

Кавитация возникает при скачкообразном понижении давления в локальных областях жидкости, которое может происходить из-за резкого увеличения скорости потока (гидродинамическая кавитация), либо под действием акустических волн большой интенсивности во время полупериода разрежения (акустическая кавитация). По внешним признакам кавитация аналогична явлению кипения жидкости. Принципиальное различие состоит в том, что при закипании изменение фазового состояния жидкости происходит при среднем (по всему объему) давлении, равном давлению насыщенного пара, в то время как в случае кавитации среднее давление жидкости выше давления насыщенного пара. Поэтому резкое падение давления носит локальный характер. Ключевую роль в образовании пузырьков при кавитации играют растворенные в жидкости газы, которые выделяются внутрь образовавшихся полостей.

Таким образом, удельная мощность, подводимая к единице объема среды при кавитационной обработке, превосходит уровни мощности, характерные для вибромельниц, аппаратов вихревого слоя и других устройствах, применяемых для получения гомогенных смесей. При этом возникают условия для протекания физико-химических процессов, которые обычно затруднены или вообще невозможны. Высокие уровни энергии процессов, происходящих при схлопывании кавитационных пузырьков, не только обеспечивают качество гомогенизировать многокомпонентные смеси различной природы, но даже модифицировать химический состав компонентов, как если бы это происходило при высоких температурах.

Кавитация при обработке оводненного углеводородного и органического сырья может вызывать изменение структуры воды с появлением свободных водородных связей, что в конечном итоге придает полученной гомогенной композиции качественно новые характеристики.

Различают два основных технологических принципа возбуждения кавитации – гидродинамический и ультразвуковой (УЗ).

Для генерации локальных областей разряжения, являющихся центрами образования кавитационных пузырьков, методом гидродинамической кавитации, на пути высокоскоростного потока устраивают препятствия, например, в виде резкого изменения сечения канала или изменения направления потока. Известны самые различные типы устройств, в том числе устройства ротационного действия, содержащие вращающиеся и неподвижные рабочие органы и получившие название ротационнопульсационных аппаратов (РПА).

Существует также целый класс устройств, не содержащих движущихся каких-либо частей Их общий принцип действия заключается в локализации некоторой части энергии потока жидкости в локальных зонах малого объема, что обеспечивает интенсификацию различных тепломассообменных и физикохимических процессов. Активными элементами таких устройств являются специальные насадки, врезаемые в трубопровод, по которому прокачивают среды, подвергаемые кавитационной обработке.

Различают два типа конструкции насадок. В насадках первого типа в щелевидном канале, поперечное сечение которого представляет собой прямоугольник, а осевое (перпендикулярное щели, т. е. длинной стороне прямоугольника) имеет форму трапеции, формируют узкую струю жидкости, что обеспечивает резкое возрастание скорости течения на выходе устройства.

В насадках второго типа реализуется принцип работы вихревого излучателя с переменной регулируемой площадью кольцевого проходного сечения потока жидкости на входе в вихревую камеру. При этом путем изменения величины кольцевого зазора можно регулировать интенсивность струи.

Ультразвуковой способ основан на возникновении высоких мгновенных значений ускорения отдельных элементов жидкой среды под действием высокочастотных механических колебаний.

Методами кавитации удается получать ультрадисперсные суспензии и эмульсии со средними размерами взвешенных частиц порядка нескольких мкм.

Технологическое оборудования для получения КМОБТ

На рисунке 4.1 представлена схема одного из вариантов технологической установки по обработке многокомпонентных сред с целью получения ультрадисперсных гомогенных суспензий и эмульсий, используемых в качестве (КМОБТ). Установка реализует двухстадийный технологический цикл, в котором осуществляется последовательная гидродинамическая и ультразвуковая кавитационная обработка исходных компонентов КМОБТ. Сначала подготовленную смесь исходных компонентов с помощью насоса (1) загружают в расходную емкость (2) На первой стадии цикла происходит предварительное эмульгирование смеси, отбираемой из рабочей емкости (3) в модуле предварительной обработки (4), скомпонованном на основе двух ротационнопульсационных агрегатов (РПА), гидродинамическим методом. Получение ультрадисперсной эмульсии/суспензии производится на второй стадии цикла путем обработки приготовленной на первой стадии грубой эмульсии/суспензии в ультразвуковом поле, создаваемом внутри, так называемого, «соннохимического» реактора (5).

Схема технологической установки для приготовления КМОБТ
Рисунок 4.1 Схема технологической установки для приготовления КМОБТ: 1 – насос; 2 – расходная емкость; 3 – рабочая емкость; 4 – модуль гидродинамической обработки; 5 – модуль ультразвуковой обработки (проточный сонохимический реактор); 6 – вентиль для отбора проб

Модуль предварительной гидродинамической обработки имеет в своем составе сдвоенный комплект ротационнопульсационных агрегатов (РПА), оснащенных гидронасосами. Рабочие органы РПА выполнены в виде пары дисков, соосно установленных практически без зазора между их плоскостями. В дисках, один из которых неподвижен (статор), а второй вращается (ротор), сделаны сквозные поперечные отверстия. Диски разделяют рабочую камеру на два отсека. Во входной отсек, расположенный со стороны ротора, насосом подают обрабатываемую смесь, а из второго отсека отбирают обработанную жидкость.

При вращении ротора его отверстия в определенные моменты совмещаются с отверстиями статора и периодически пропускают обрабатываемую жидкость сквозь диски в рабочую камеру. В период времени, когда отверстия ротора перекрыты стенкой статора, давление во входном отсеке камеры возрастает, а в момент совмещении каналов оно резко падает, в результате чего в отверстиях статора возникают периодические разнополярные импульсы разности давления, которые способствуют дроблению и перемешиванию разнородных частиц. При определенных условиях в жидкости может возникнуть режим кавитации, при котором интенсивность тепломассообменных процессов резко возрастает, а степень дисперсности частиц и гомогенизации смеси увеличивается.

Модуль ультразвуковой обработки включает в себя электрический генератор с рабочей частотой 22 кГц и проточный сонохимический реактор состоящий из корпуса, магнитострикционного преобразователя и волновода-излучателя.

Процесс гомогенизации осуществляют в циклическом режиме, многократно пропуская обрабатываемую минеральноорганическую композицию по замкнутому контуру, образованному рабочей емкостью, модулем гидродинамической обработки и модулем УЗ обработки. Качество КМОБТ проверяют, периодически отбирая пробы через вентиль (6). Критерием качества обработки можно считать уменьшение среднего размера взвешенных капель и твердых частиц суспензии-эмульсии порядка 10-50 мкм.

В таблице 4.2 приведены основные характеристики котельного КМОБТ, приготовленного из мазута и биомассы микроводорослей в различных соотношениях. Микроводоросли для котельного биотоплива используются без какой-либо предварительной подготовки, включающей в себя разделение фитомассы на фракции. Достаточно удалить из суспензии некоторое количество воды, чтобы получить требуемую для данного состава КМОБТ концентрацию в расчете на абсолютно сухую массу (АСМ).

Характеристики котельного биотоплива на основе мазута и биомассы микроводорослей
Таблица 4.2 Характеристики котельного биотоплива на основе мазута и биомассы микроводорослей

Высокая степень дисперсности и гомогенизации КМОБТ, достигаемая применением методов гидродинамической и ультразвуковой обработки, обеспечивает им продолжительный срок хранения без выпадения осадка и расслаивания, а присутствие воды в органической фракции – более полное сжигание по сравнению со стандартным топочным мазутом и другими котельными топливами. Данная технология приготовления КМОБТ использует энергосберегающие низкотемпературные процессы и относится к низкозатратным и безотходным в плане использования органической фракции сырья. Все это обеспечивает минимальную среди биотоплив третьего поколения себестоимость производства.