Альтернативные топлива из биомассы

Альтернативные топлива из биомассы

Национальный авиационный университет

Факультет летательных аппаратов

Кафедра Химмотологии

Домашнее задание

по дисциплине

ГСМ и контроль их качества ч.1

Тема:

Альтернативные топлива из биомассы

Выполнила:

Студентка ФЛА 309

Фернандес Медина А.Х.

Руководитель:

к.х.н., доц. Новикова В.Ф.

Киев 2007

Содержание

Вступление

1. Использование энергии биомассы

2. Биотопливо - альтернативный вид топлива

3. Получение моторных топлив из газов газификации растительной биомассы

4. Зарубежный опыт

Вступление

За последнее столетие добыча нефти в мире выросла почти в 20 раз и продолжает расти достаточно быстро. По оценкам специалистов, в течение 40--50 лет запасы углеводородов будут практически исчерпаны. Поэтому во многих странах большое внимание уделяется поиску путей использования энергии, накапливаемой растениями за счет фотосинтеза, для технических потребностей, в частности для замены традиционного жидкого топлива на автотранспорте биотопливом (этанолом и биодизелем). Как известно, биомассой принято обозначать все органические вещества как растительного, так и животного происхождения, источником которых служит ныне существующая биосфера нашей планеты. Биомасса уже давно используется в качестве сырья для производства различного вида топлива, например, горючего газа и этанола (этилового спирта). Ежегодно на Земле при помощи фотосинтеза образуется около 120 млрд. тонн сухого органического вещества, что энергетически эквивалентно более 40 млрд. тонн нефти. Использование биомассы может проводиться в следующих направлениях:

Прямое сжигание - производство биогаза из сельскохозяйственных и бытовых отходов - производство этилового спирта для получения моторного топлива

Таким сырьем служат мусор, пищевые и бытовые отходы, опилки и другие отходы лесной и лесоперерабатывающей индустрии, экскременты сельскохозяйственных животных, солома, излишки зерна и т.п.

По данным Международного Энергетического Агентства (International Energy Agency), за четверть века производство этанола в мире выросло в 8 раз (с 4368 миллионов литров в 1980 году до 32665 миллионов - в 2004), причем особо заметный прирост был зарегистрирован в последние годы, с ростом цен на нефть

Ныне технология позволяет производить 1 литр биодизельного топлива примерно из 1,2 литра соевого масла. Стоимость этого топлива ныне примерно равна стоимости бензина. По производству и потреблению топливного этанола мировым лидером уже более двух десятилетий является Бразилия, где его производство составляет половину мирового, и значительная часть автотранспорта работает на чистом (95%) этаноле либо на смеси этанола (25%) с бензином(75%). Производство биотоплив для двигателей внутреннего сгорания быстро развивается в США и во многих европейских странах (прежде всего в Испании и Франции). Этанол уже стал объектом международной торговли: например, по данным агентства Reuters, Бразилия уже импортирует этот продукт в США, Индию и ряд иных государств. Потенциально этот рынок будет развиваться: только за последние годы законы, ставящие своей целью поощрить перевод автомобилей на биотопливо, приняли Южная Корея, Филиппины, Япония и Мадагаскар.

1. Использование энергии биомассы

Использование энергии биомассы в Украине находится в зачаточном состоянии, хотя условия для ее освоения (особенности климата, потенциал аграрного сектора экономики, наличие рабочей силы) достаточно благоприятны. Поэтому вполне естественным представляется формирование весной текущего года целевой комплексной программы научных исследований НАН Украины «Биомасса как топливное сырье» («Биотоплива»). Насколько можно судить по концепции указанной программы, ее авторы видят единственно возможный путь использования биомассы для автотранспорта -- тот, по которому идут страны-лидеры этого направления (будем называть этот вариант традиционным). В связи с этим возникает вопрос: возможны ли другие варианты использования биомассы для автотранспорта?

В Институте технической теплофизики (ИТТФ) НАН Украины разработаны способ и устройство для энерготехнологической переработки биомассы (древесины, соломы, подсолнечной лузги и др.). В результате такой переработки получают два продукта: горючий газ и древесный уголь (полукокс), который представляет собой практически беззольное высокореакционное твердое топливо. Здесь важно подчеркнуть, что прямое использование биомассы, в частности древесины в наиболее совершенных, современных пылеугольных котлах сопряжено со значительными трудностями, если вообще возможно. Дело в том, что пылевая технология сжигания предусматривает обязательное измельчение топлива до частиц размером ~ 200 мкм, а мельницы, которыми оборудованы пылеугольные энергоблоки, абсолютно непригодны для размола биомассы (например, древесных отходов), но легко справляются с измельчением древесного угля. Кроме того, для стабилизации горения пылеугольного топлива используется «подсветка» факела дефицитным и дорогостоящим природным газом, но его вполне можно заменить дешевым и доступным горючим, который получается при энерготехнологической переработке биомассы по технологии ИТТФ. Из существующих технологий получения топлива из биомассы уплотнением распространены: пеллетирование (гранулирование), брикетирование на прессах и брикетирование экструзионное (с использованием шнеков).

ООО «ЭККО» г. Черкассы, это предприятие, разрабатывающее экструзионные технологии на базе серийных экструдеров, выпускаемых ОАО «Черкассыэлеватормаш», и обратившее своё внимание на экструзионное брикетирование отходов из биомасс.

В основе технологии производства топливных брикетов лежит процесс прессования шнеком отходов (шелухи подсолнечника, гречихи и т.п.) и мелко измельченных отходов древесины (опилок) под высоким давлением при нагревании от 250 до 350С°. Получаемые топливные брикеты не включают в себя никаких связующих веществ, кроме одного натурального - лигнина, содержащегося в клетках растительных отходов. Температура, присутствующая при прессовании, способствует оплавлению поверхности брикетов, которая благодаря этому становится более прочной, что немаловажно для транспортировки брикета.

Интересно сравнить показатели традиционного и альтернативного вариантов. Испытания установки ИТТФ для энерготехнологической переработки биомассы показали, что ее КПД (т.е. отношение теплотворной способности продуктов переработки к теплотворной способности исходного сырья) порядка 90%. Допустим, что КПД превращения биомасса -- биотопливо таков же. Лучшие современные транспортные двигатели внутреннего сгорания имеют КПД не более 40 %. Таким образом, традиционный вариант использования биомассы может обеспечить итоговый КПД не более 36%. Для оценки возможностей альтернативного варианта предположим, что электроэнергия, которая используется в электромобилях, вырабатывается на ТЭЦ с КПД ~ 75%. Поскольку потери энергии в электродвигателе ничтожно малы, КПД альтернативного варианта ~ 67%, т.е. чуть ли не вдвое выше. Что касается экологического аспекта, то, очевидно, сжигание продуктов переработки биомассы в крупных современных котельных установках с мощными системами очистки продуктов сгорания приведет к меньшему загрязнению окружающей среды, чем использование биотоплива в двигателях внутреннего сгорания.

Еще одно безоговорочное преимущество альтернативного варианта при сравнении его с традиционным состоит в том, что «в дело» может идти вся биомасса (например: стебли подсолнечника, кукурузы, ветки деревьев, праздничные елки и т.д.). В традиционном варианте -- лишь относительно небольшая часть биомассы (зерна кукурузы, сои, рапса и т.д.), причем та, которая может быть использована для производства пищевых продуктов для людей.

Весьма выгодно использовать альтернативный вариант использования биомассы в крупных городах, где скапливается большое количество биомассы и имеется много отопительных котлов. Расчеты показывают: если использовать альтернативный вариант для утилизации биомассы, которая скапливается в г. Киеве (древесная часть городского мусора, обрезки деревьев и т.д. -- всего более 24 тыс. м3 в год), то можно практически даром иметь ежегодно доход в размере более 1 млн. долл. При использовании в пылеугольных котлах древесной подсветки по альтернативному варианту можно сократить на 13--15% расход природного газа, который используется угольными электростанциями на подсветку.

2. Биотопливо - альтернативный вид топлива

Соевое, арахисовое, пальмовое, отработанные подсолнечное и оливковое масла (использованные, например, при приготовлении пищи), а также животные жиры. Биодизельное топливо - это экологически чистый вид топлива, альтернативный по отношению к минеральным видам, получаемый из растительных масел, и используемый для замены (экономии) обычного дизельного топлива, это полностью сгорающее альтернативное топливо, которое производится из растительных материалов или биомассы, такой как сахарный тростник или пальмовое масло. Оно может использоваться в дизельных двигателях или смешиваться с обычным дизельным топливом. Сырьем для производства биодизеля могут быть различные растительные масла: рапсовое. С химической точки зрения биодизель представляет собой метиловый эфир. При его производстве, в процессе этерификации, масла и жиры вступают в реакцию с метиловым спиртом и гидроксидом натрия, служащим катализатором, в результате чего образуются жирные кислоты, а также побочные продукты: глицерин и другие.

Биодизель может использоваться в обычных двигателях внутреннего сгорания, как самостоятельно, так и в смеси с обычным дизтопливом, без внесения изменений в конструкцию двигателя.

Обладая примерно одинаковым с минеральным дизельным топливом энергетическим потенциалом, биодизель имеет ряд существенных преимуществ:

· он не токсичен, практически не содержит серы и канцерогенного бензола;

· разлагается в естественных условиях (примерно так же, как сахар);

· обеспечивает значительное снижение вредных выбросов в атмосферу при сжигании, как в двигателях внутреннего сгорания, так и в технологических агрегатах;

· увеличивает октановое число топлива и его смазывающую способность, что существенно увеличивает ресурс двигателя;

· имеет высокую температуру воспламенения (более 100°С), что делает его использование относительно безопасным;

· его источником являются возобновляемые ресурсы; производство биодизеля легко организовать, в т.ч. в условиях небольшого фермерского хозяйства, при этом используется недорогое оборудование

По прогнозу Международного Энергетического Агентства, к 2020 году мировое производство биотоплива, как минимум, учетверится и достигнет 120 миллиардов литров в год. К 2010 году мировой автопром выпустит, как минимум, 2 млн. единиц автомобилей, способных работать на спирте и биодизельном топливе.

Пока же доля "биологических" автомобилей в автопарке США незначительна, несмотря на то, что с конца 1970-х годов федеральные власти и власти некоторых штатов приняли ряд законов, устанавливающих налоговые льготы для производителей подобного топлива, механических устройств для его использования (автомобили, системы хранения и распределения и пр.) и для покупателей подобных автомобилей.

Эффективность этанола и биодизеля достаточно часто подвергается сомнению. К примеру, в 2003 году Корнуэлльский Университет (Cornell University) опубликовал результаты исследования, согласно которому был сделан пессимистичный вывод: если считать, что с одного поля, на котором выращиваются сельскохозяйственные культуры, можно получить 100 литров спирта, который возможно превратить в энергию, то затраты на производство этой энергии составят 79 литров в "спиртовом" эквиваленте. Впрочем, есть исследования, доказывающие высокую энергоемкость биоэнергетических культур.

Однако перспективы у подобных автомобилей можно признать радужными. Значительные средства, вложенные в научные исследования по использованию биологического топлива, постепенно начали приносить результат. Косвенным свидетельством этого являются данные Национальной Лаборатории по Изучению Возобновляемой ЭнергииNational Renewable Energy Laboratory: число выданных патентов на изобретения в этой сфере в 1998 году выросло в 25 раз по сравнению с уровнем 1981 года. Кроме того, заметно изменились настроения американских потребителей, многие их них серьезно рассматривают возможность приобретения более экономичного автомобиля, в том числе такого, который не использует в качестве топлива нефтепродукты.

3. Получение моторных топлив из газов газификации растительной биомассы

Рассмотрен новый метод получения экологически чистых жидких моторных топлив из растительной биомассы. Топлива не содержат серу, а выделяющийся при их горении диоксид углерода вновь участвует в образовании растений. Топлива получаются из газов газификации биомассы воздухом при невысоком давлении и температуре. Обсуждаются проблемы ресурсов горючих ископаемых и растительной биомассы в мире и в нашей стране.

В настоящее время энергетические потребности мира составляют ~ 11--12 млрд. т условного топлива (у. т.) и удовлетворяются за счет нефти и газа на 58--60%, угля - на 30%, гидро- и атомной энергии - на 10--12%. Разведанные запасы нефти, угля и газа приведены в табл. 1 и 2.

Таблица 1

Мировые запасы горючих ископаемых, пригодные для индустриальной добычи, млрд. т н. э. Нефть + газ

Уголь

Соотношение

Литература

226

687

1:3,0

[4]

230

741

1:3,2

[3]

Таблица 2

Извлекаемые запасы горючих ископаемых и прирост биомасссы, млрд. т н. э. Наименование

В СНГ

В мире

Нефть

8--10

145

Уголь

~ 200

720

Газ

~ 40

104

Образование растительной биомассы в год

~ 15--20

80

В качестве источника энергии используется также растительная биомасса (дрова и др.) - порядка 1 млрд. т у. т., или 0,7 млрд. т нефтяного эквивалента (н. э.), что составляет почти четвертую часть из добычи и потребления нефти в мире (~3 млрд. т). Потребность в нефти и других видах современной энергии, вероятно, будет увеличиваться и одновременно будут усовершенствоваться методы энергетического использования растительной биомассы (помимо прямого сжигания).

В настоящей работе рассматриваются возможности получения компонентов жидких топлив главным образом из растительной биомассы, посредством ее газификации и синтеза из газа жидких углеводородов. В общем виде эти процессы представлены на рис. 1.

Применение возобновляемой растительной биомассы для производства моторных топлив целесообразно и даже необходимо в связи с ограниченностью запасов нефти. По данным XIII Нефтяного конгресса (1991 г.), разведанные запасы нефти в мире оцениваются в 140--145 млрд. т (160 млрд. м3), которых при современном потреблении нефти в мире может хватить на 35--45 лет.

По отдельным регионам проблемы с запасами нефти стоят более остро: 76% запасов находится на Ближнем и Среднем Востоке, в Латинской Америке. На остальные регионы остается 24%, из которых 6--7% приходится на СНГ. Учитывая уровень добычи нефти в 1990 г., этих запасов может хватить на 15--18 лет.

Потребность нефти в Российской Федерации -- 270--300 млн. т, в целом по СНГ -- 450 млн. т (для сравнения -- США потребляют около 800 млн. т нефти). В дальнейшем потребление нефти в мире будет возрастать, поэтому, учитывая дефицит нефти, необходимо развивать новые пути получения жидких моторных топлив. Производство моторных топлив из твердых горючих ископаемых не слишком обширно. Так, в ЮАР получают 5 млн. т моторных топлив, для чего затрачивается 27--30 млн. т бурого угля. Эта технология основана на парокислородной газификации угля и получении моторных топлив из синтез-газа на железном катализаторе. Производство синтетических топлив в крупных масштабах с целью замены нефти представляет трудную задачу. Для производства 150 млн. т синтетических топлив (1/2 потребности России) понадобилось бы около 1 млрд. т бурого угля (добыча угля в 1990 г. в Советском Союзе составила около 700 млн. т, в США -- 800 млн. т).

Доступным и возобновляемым сырьем для производства синтетических моторных топлив является биомасса растений. Например, в Канаде лесная и лесоперерабатывающая промышленность более 70% необходимой энергии получает из отходов древесины (газификацией и другими методами). В Советском Союзе в период 1940--1950 гг. были созданы установки, работавшие на лесных и сельскохозяйственных отходах при их газификации воздухом с получением газообразного моторного топлива. Ежегодный прирост биомассы растений на Земле составляет от 170 до 200 млрд. т, считая на сухое вещество, что в пересчете на нефтяной эквивалент соответствует примерно 70--80 млрд. т.

До середины XIX в. человечество использовало в качестве теплоносителя для бытовых и промышленных целей (металлургия, паровые машины и др.) почти исключительно биомассу растений и продукты ее переработки (древесный уголь).

При использовании в качестве энергоносителя газа, нефти и угля возникает ряд проблем, связанных с ограниченными запасами горючих ископаемых, в особенности нефти. Помимо истощения запасов нефти важными проблемами являются перевозка на большие расстояния и хранение всех видов топлив.

В связи с дефицитом нефти целесообразно использовать местные виды топлив -- растительную биомассу, бурый уголь, торф, сланцы, различные твердые органические отходы (мусор в городах) при переработке в жидкое топливо. Общее количество различных твердых органических отходов (лесодобыча и лесопереработка, сельское хозяйство, промышленность, бытовой мусор в городах) может быть очень велико. Например, в США оно достигает 1--1,2 млрд. т в год. Из этого количества можно получить около 1/4 моторных топлив, т. е. более 100 млн. т. Однако большая часть отходов не используется, некоторую часть применяют для получения биогаза (смесь СН4 с СО2), другая часть сжигается.

Например, фирма “Боинг” сжигает биомассу (отходы древесины и городской мусор) для получения примерно 60% тепла, необходимого для обогрева завода “Боинг” площадью 550 тыс. м2 являющегося крупнейшим в мире производственным комплексом.

Ресурсы ежегодно возобновляемой растительной биомассы энергетически в 25 раз превышают добычу нефти. В настоящее время сжигание растительной биомассы составляет ~10% от потребляемых энергоресурсов (примерно 1 млрд. т у. т.), в будущем ожидается существенное расширение использования биомассы в виде продуктов ее переработки (жидких, твердых топлив и др.), и в первую очередь отходов, которые скапливаются и разлагаются, загрязняя окружающую среду.

Биомасса перерабатывается в топливные и химические продукты различными методами: пиролизом, гидролизом, газификацией, гидрогенизацией и др. Эти процессы осуществляются на передвижных или стационарных установках.

4. Зарубежный опыт

В Норвегии применяются передвижные установки на лесосеках, где перерабатываются растительные отходы методом пиролиза. Производительность отдельной установки от 10 до 30 т древесного угля в сутки. При пиролизе из 1 т отходов (щепа) получается 280 кг угля, 200 кг смолы пиролиза и около 222 кг газообразного топлива. Газообразное топливо используется для поддержания процесса пиролиза. Смола пиролиза применяется как котельное топливо или подвергается гидрооблагораживанию под давлением водорода для получения бензина и дизельного топлива. Стационарные установки пиролиза могут иметь до 40 печей, и рассчитаны на переработку 300--350 тыс. т органических отходов в год.

Разработан процесс ожижения растительной биомассы методом гидрогенизации при 350°С под давлением водорода при 6,4 МПа. Из 1 т биомассы получают 24 кг синтетической нефти и 160 кг остатка типа асфальта.

Одним из методов получения жидких моторных топлив является термическое растворение древесины в нефтяных фракциях при 380--450°С под давлением 10,0 МПа. При этом происходит ожижение древесины.

В США имеется экспериментальная установка, где из 1000 кг древесной щепы получается 300 кг топлива типа сырой нефти. Процесс ведут при давлении 28 МПа и температуре 350--375°С. В качестве катализатора применяют карбонат натрия.

В ряде стран (Италия, ФРГ, Аргентина и др.) созданы специальные энергетические плантации быстрорастущих пород древесины и других пород на землях, не пригодных для сельского хозяйства.

Плантации ивы в Швеции на заболоченных землях дают 25 т древесины с 1 га в год. Сбор древесины осуществляется через 2 года специальными комбайнами в зимнее время года, когда заболоченная земля замерзает. С 1 млн. га получается 15 млн. т древесины в виде сухого древесного топлива, что эквивалентно 20% энергии, необходимой для этой страны.

В рамках Западноевропейской программы развития возобновляемых энергоресурсов в Италии пущен крупный биоэнергетический комплекс, рассчитанный на ежегодную переработку 300 тыс. т быстрорастущей биомассы и органических отходов. Помимо газа и тяжелых остатков будет получено 20 тыс. т жидкого топлива. В Германии имеются большие плантации рапса, из которого получают смазочные масла и дизельное топливо.

В Латинской Америке, США и Франции из биомассы (отходов сахарного тростника, кукурузы и др.) получают этанол, используя обычно процессы брожения. В Бразилии получается более 10 млн. т этанола, который применяют как основное топливо для автомобилей (96%-ный этанол) или в смеси с бензином -- топливо “Газохол” (22 % этанола с 78 % бензина). В США из кукурузы получают более 3 млн. т этанола, который применяют в качестве добавки к бензину (5--10%) для повышения октанового числа и улучшения процессов сгорания.

Для использования в моторных топливах предложены производные метанола и этанола, которые не корродируют аппаратуру, безвредны, хорошо смешиваются и имеют высокие антидетонационные свойства:

В настоящее время в качестве добавки для повышения октанового числа используют метил-трет-бутиловый эфир.

Разработан новый процесс синтеза нормальных парафинов и изопарафинов, а также олефинов из нового типа исходного сырья -- растительной биомассы. Биомасса превращается газификацией воздухом в генераторный газ, содержащий оксид углерода и водород. В газе содержится около 50% азота, поэтому синтез из такого газа компонентов моторных топлив состава С5 --С22 является принципиально новым. Ранее во всех технологических процессах (Фишера -- Тропша, Сасол, Мобил) применяли концентрированный газ, состоящий только из СО и Н2.

Парафиновые углеводороды неразветвленного строения являются хорошими компонентами дизельных топлив. Для производства высокоцетановых моторных топлив желательно смешение фракций синтетических парафинов с цетановым числом 77--90, полученных по методу Фишера -- Тропша с дизельными фракциями нефти или продуктов гидрогенизации угля, которые имеют цетановое число 40--50.

Продукты синтеза, полученные посредством газификации биомассы, мог заменить нефтехимическое сырье.

Жидкие олефиновые углеводороды, которые получаются при синтезе, мог найти применение, помимо топливного назначения, для производства синтетических моющих средств. Из фракции углеводородов С2--С22, полученной биомассы, в процессе пиролиза на ванадиевом катализаторе могут быть получены этилен, пропилен и бутилены. При каталитическом пиролизе образует до 40--50% этилена и 60--65% суммы газообразных олефинов на исходи сырье. Проверка этого процесса в опытно-промышленных условиях показал что в зависимости от применяемого сырья этилен образуется с выходом от до 40% и олефины 60--65%. При термическом пиролизе выход этилена обычно не превышает 25--26%.

Таким образом, в результате переработки растительного сырья могут бы получены жидкие углеводороды -- компоненты моторных топлив и олефины, частности этилен для процессов нефтехимического синтеза.

Цель настоящего исследования -- разработка процесса получения компонентов жидких топлив (бензина, дизельного топлива) из продуктов газификации растительной биомассы СхНуОг при 900--1500° С. При этом образуется газ, содержащий оксид углерода, водород, диоксид углерода и азот:

CxHyOz + O2 + N2 = CO, H2, CO2, H2O, N2

Состав продуктов газификации зависит от исходного сырья (древесная щеп солома, отходы технических культур и др.). Обычно состав газа находится пределах, %: СО 15--25, Н2 12--15, СO2 7--12, N2--50. Может присутствовать небольшое количество других примесей, например СН4.

Характерной особенностью газов газификации биомассы воздухом является большое содержание азота -- 45--55%. Ранее полагали, что азот будет препятствовать синтезу жидких углеводородов из СО и Н2.

Каталитическую газификацию биомассы древесной пульпы проводят с помощью водяного пара с подводом тепла извне в трубчатых печах на никелевых катализаторах. В этом случае из 1 т биомассы получается 150--160 кг водород диоксид углерода отделяется. В процессе пиролиза расходуется 103,0 кД тепла на 1 молекулу водорода, а при сжигании 1 молекулы выделяете 285 кДж.

В промышленности для процесса Фишера -- Тропша синтез-газ получают каталитической конверсией метана с водяным паром при высоких температурах.

Газификация биомассы с водяным паром несколько сложней, чем газификация с применением воздуха, так как газогенераторы такого типа не разработаны.

Рассмотрим синтез углеводородов из генераторных газов газификации воздухе растительного сырья. Газификация воздухом (при неполном сгорании) -- известный технологический процесс переработки твердого органического сырья -биомассы, торфа, бурого угля.

Газы газификации воздухом в зависимости от исходного сырья имеют следующий состав, об.%:

СО

Н2

СO2

O2

N2

Древесная щепа

28,1

15,4

6,8

0,5

46,3

Солома

15,4

14,8

13,2

0,2

53,0

Бурый уголь

25,5

14,0

6,2

0,2

51,7

Газогенераторные установки, где в качестве топлива применяли биомассу -- древесину, отходы хлопка, кукурузы и др., а также уголь, ранее широко использовались. В 40-х и 50-х годах имелось более 200 тыс. различных стационарных и передвижных машин [9] и были сэкономлены миллионы тонн нефти. В 1980--1990 гг. газогенераторную технику использовали только в Канаде и США на лесозаготовках.

В Западной Европе в 1980--1990 гг. при уничтожении городского мусора применяли процессы газификации, получая генераторный газ, содержащий СО -- 22, Н2 12--15, N2 45--50. Установки такого типа фирмы “Фест-Альпине” (Австрия) экологически чистые, а газ может применяться для получения жидкого топлива.

В качестве аналогов газа газификации в настоящей работе использовали смесь газов следующих составов (об.%): СО -- 30, Н2 -- 15, С02 -- 5, N2 -- 50; СО -- 15, Н2 -- 20, С02 -- 15, N2 -- 50; СО -- 28, Н2 -- 15, СО2 -- 7, N2 -- 45.

Опыты проводили при давлениях 0,1 и 1 МПа и температурах от 180 до 230° С. Применяли промышленный Co-содержащий катализатор и катализатор, который готовили смешением основного карбоната кобальта с носителем. Все катализаторы восстанавливали в потоке водорода при 450° С. Схема установки показана на рис. 2. Опыты проводили при объемной скорости (о. с.) от 50 до 200 ч-1.

Для проведения большей части опытов был выбран Co-катализатор, активный в процессе синтеза углеводородов из водяного газа (СО--Н2) по Фишеру -- Тропшу. Результаты опытов, проведенных при атмосферном давлении и разном

Основные показатели процесса синтеза углеводородов из продуктов воздушной газификации биомассы (Р-0,1 МПа, Т-190--210 °С, о. с. 100 ч-1, катализатор 32% Со--3% MgO--ЦВМ*) Исходный газ, об.%

Выход углеводородов**, г/м3

Состав жидких углеводородов, %

СО

Н2

С02

N2

C1

С2-С4

>С5

общий

Олефи

ны

парафины

разветвленные

Нормальные

33

67

-

-

20

37

80

137

8

16

76

10

20

20

50

11/37

7/23

28/98

46/158

10

21

69

15

20

15

50

11/30

7/18

31/90

49/138

11

26

63

30

15

5

50

2/4

Следы

19/64

21/68

16

26

58

* ЦВМ -- цеолитсодержащий носитель

** В числителе дроби указан выход в расчете на пропущенный газ, в знаменателе -- в пересчете на СО + Н2.

В составе взятого для опыта газа, представлены в табл. 3. В табл. 4 приведен результаты опытов под давлением 1 МПа.

При увеличении давления с 0,1 до 1,0 МПа в присутствии Со - содержащего катализатора выход жидких углеводородов (>С5) в отдельных опытах достигал 52 г/м3 (без избыточного давления не превышал 31 г/м3). Если отнести этот выход к 1 кг использованных для газификации отходов древесины, то при 20%-ной влажности выход газа составляет 2,6--3 м3/кг. Если принять выход 2,6 м3/кг, то из 1 т отходов можно получить от 80 до 135 кг жидкого топлив Стабильность работы катализатора на газе воздушной газификации при 1,0 МГ характеризуется кривыми на рис. 3.

Рис 4. Типичная хроматограмма жидких продуктов синтеза углеводородов из продуктов газификации биомассы. Газ-носитель азот, капиллярная колонка длиной 50 м, жидкая фаза OV-101, 20--220°С, 8° С/мин

С учетом возможных потерь можно принять, что 1 г жидкого топлива будет получаться из 8--10 т сырья. На рис. 4 приведена типичная хроматограмма получаемой углеводородной фракции. Полученная углеводородная смесь содержит бензиновую фракцию С5--С, , и дизельную фракцию С,,--С18.

На этих примерах показано, что из газов газификации растительного сырья воздухом можно получить компоненты жидкого топлива, бензиновые и дизельные фракции, хотя в газах синтеза содержится до 50% азота.

Выход жидких углеводородов из 1 м3 газа (состав, об.%: СО 33, С02 33, Н2 33) достигает 114--117 г/м3, общий -- 160 г/м3. Общий выход (с учетом газообразных продуктов) достигает 170--190 г/м3, аналогично процессу Фишера -- Тропша из СО--Н2. Однако газ каталитической газификации биомассы с водяным паром содержит до 20--30% С02, который, вероятно, также частично входит в реакцию.

Была рассмотрена возможность создания передвижных опытных установок по переработке растительной биомассы в компоненты моторного топлива. Они включают газификацию биомассы воздухом при 900--1500° С, очистку газа и синтез жидких углеводородов. Принципиальная схема установки показана на рис. 5. Установки находятся в стадии проектирования.

Для синтеза можно использовать также газ, полученный газификацией растительной биомассы паром.

Таким образом, представлен процесс получения жидких моторных топлив из растительного сырья -- отходов сельского хозяйства, лесодобычи и лесопереработки, который можно осуществить на передвижных или стационарных установках.

Процесс состоит из газификации органического сырья (неполного сгорания) воздухом при 900--1500°С, в результате чего образуется газ, содержащий СО, Н2, СО2, Н2О, N2. В результате каталитической конверсии газа при 200--250°С и 1,0 МПа получается смесь жидких углеводородов. Азот воздуха в реакцию не вступает. При этих процессах 1 т компонентов моторного топлива получается из 8 т исходного сырья. Общий КПД синтез жидкого топлива из исходного сырья (биомассы) составляет около 40%. Из лесосечных или сельскохозяйственных отходов с 1 кв. км на передвижных установках можно получить от 100 до 200 т жидкого топлива.

Моторные топлива, полученные из растительной биомассы, экологически чистые, так как не содержат серу, а образующийся при их сгорании диоксид углерода вновь вовлекается в образование растений и не накапливается в атмосфере. Утилизация растительных отходов и отходов пластмасс оздоровляет экологическую обстановку. Это делает возможным получить дополнительное количество моторного топлива из отходов растительного и вторичного сырья, пластмасс. Помимо переработки отходов в ряде стран (Бразилия, Швеция, Италия, Германия и др.) практикуется создание специальных энергетических плантаций из быстро растущих пород древесины и других растений с целью последующей переработки для энергетических целей.

Рис. 5. Схема установки для получения жидкого топлива из растительной биомассы: 1 -- газогенератор; 2 -- воздушный компрессор; 3 -- адсорбер; 4 -- холодильник; 5 -- фильтр тонкой очистки; 6 -- компрессор; 7 -- реактор; 8 -- теплообменник; 9 -- сепаратор; 10 -- приемник жидкого топлива. Линии: I -- биомасса, II -- воздух, III -- отработанный газ, IV -- синтетическое жидкое топливо

Выводы

АЛЬТЕРНАТИВНЫЕ ТОПЛИВА, получают в основном из сырья не нефтяного происхождения, применяют для сокращения потребления нефти. Главные виды альтернативного топлива: сжиженные и сжатые горючие газы (напр., метан); спирты, продукты их переработки и смеси с бензином (напр., метанол, метил-третбутиловый эфир); топливные смеси (напр., водно-угольные); синтетическое жидкое топливо; водород.

Биотопливо производится из органических материалов, типа пшеницы, канола и сои.

Использование альтернативных видов топлива, значительно экологичнее, а его стоимость в объеме, эквивалентном 1 литру бензина, составляет намного меньше.

Использованная литература:

1. www.podrobnosti.ua

2. www.zn.ua

3. www.intellect.org.ua

4. e-news.com.ua

5. Аделъсон С. В., Мухина Т. Н. // Нефтепереработка и нефтехимия. Информ сб 1991. № 7 С 30.