Виды топлив, получаемых из биомассы

Биоэтанол­имеет следующие характеристики: формула С2 Н5 ОН, моле­кулярный вес 46,1 содержание С – 52,1, Н2 – 13,1, О2 – 34,7 % , С/Н = 4; стехиометрическое отношение (воздух/этанол) равно 9,0.

В 2002 г. в России из пищевого сырья получено 1,31 млн м3 биоэтанола, производство синтетического этанола составило 0,15 млн м3 , технического гидролизного этанола – 0,044 млн м3.

Россия располагает мощностями, позволяющими производить гидролизного спирта до 0,2 млн т/год. Однако гидролизные технологии, основанные на использовании серной кислоты, являются экологически вредными, поэтому необходимо разрабатывать современ­ные экологически чистые технологии эффективного разложения древесины на целлюлозу (полимер глюкозы) и лигнин.

Для производства этанола в России могут быть использованы и другие виды сырья: меласса (отходы сахарного производства), свекла и свекловичный жом, картофельный крахмал, сладкое сорго.

Объем производства мелассы в 2004 г. составил 1,1 млн т. Из 100 кг мелассы можно получить 30 л этанола, а из 1,1 млн т – 330 000 тыс. м3 стоимостью 99 млн дол.

В 2003 г. было произведено 17,4 млн т свекловичного жома. Из него можно получить 380 тыс. м3 этанола. Таким образом, общий выход этанола из отходов производства сахара может составить 710 тыс. м3.

При получении этанола непосредственно из сахарной свеклы (в 2003 г. собрали 21,7 млн т) выход этанола мог бы составить 1,7 млн м3 при содержании сахара в ней 16 %. Стоимость такого объема этанола оценивается 510млн дол.

Другим источником крахмала для данного производства является картофель. Из 1 т картофеля (содержание крахмала 14 – 16 %) можно получить до 60 л биоэтанола. При урожае картофеля, равном 36,6 млн т, потенциальный объем полученного из него биоэтанола мог бы составить 2,2 млн м3. Картофель широко возделывается в России в регионах рискованного земледелия. Выращивание его для технических целей, например для производства этанола, может оказать существенное влияние на подъем экономики в этих областях. Для того чтобы производство биоэтанола в России достигло уровня его выработки в США, нужно засевать картофелем до 15 млн га/год. Потенциальным сырьем может стать также сладкое сорго, культивируемое на Северном Кавказе, Дальнем Востоке и в Поволжье. Урожайность сладкого сорго составляет 20 – 30 т/га. Из 1 т массы сорго можно получить 800 – 850 л сока с содержанием 20 % углеводов или 80 л биоэтанола (с 1 га – 2 м3 этанола).

Таким образом, перспективы развития производства транспортного этанола в России с последующим его экспортом достаточно оптимистичны. Однако очевидно, что основным сырьем должна стать древесина, что требует создания современных технологий ее разложения на лигнин и целлюлозу.

Биоэтанол можно получить из сахарной свеклы, сахарного тростника, кукурузы, пшеницы, картофеля, сладкого сорго, касавы [8]. Ниже приведены данные по производству биоэтанола.

Стоимость этанола в различных странах составляет [8], евро/м3:

Бразилия (95 % -ный спирт) 160

Бразилия (безводный спирт) 220

США (безводный спирт) 250

Европа (безводный спирт из сахарной свеклы 350 – 450

Импорт спирта в Европу 190

Мировая потенциальная потребность в этаноле равна 2 млрд т/год.

В настоящее время в мире производится 32 млн т/год этанола (пищевого 4, для химической промышленности 8, топливного 20 млн т/год); путем химического синтеза 7, брожением 93 %. При брожении 60 % этанола получают из сахарного тростника и сахарной свеклы, 40 % – из осахаренного крахмала зерна кукурузы или пшеницы.

В Бразилии в 1999 г. было произведено 6,5 млн т биотоплива, что обеспечило 13 % всех потребностей в энергоресурсах, 19 % потребностей в жидком топливе и позволило сэкономить 35,6 млрд дол. Для двигателей внутреннего сгорания используется смесь из 26 % этанола и 74 % бензина, а в дизельном топливе доля этанола составляет 3 %.

В настоящее время в Бразилии из сахарного тростника производится 13, а потребляется 12,6 млн т/год эталона. При этом необходимо отметить, что 1 баррель спирта стоит 25, а 1 баррель бензина – 35 дол.

Второе место в мире (после Бразилии) по производству биоэтанола занимают США: в 2003 г. выработано 5,5 млн т. Здесь 90 % биоэтанола получают из кукурузы, 8 % – из сорго. В 2004 г. производство биоэтанола в США составило 12,66 млн м3. На эти цели использовано 13 % урожая кукурузы. Конгресс США рассматривает законопроект, предусматривающий увеличение производства этого биотоплива в 3 раза.

В Калифорнии 70 % бензина, используемого на юге, и 57 % – на севере штата, смешивают с этанолом, так как введен запрет на применение метилтрибутилового эфира, соединение которого с бензином в двигателях внутреннего сгорания приводит к образованию вредных выбросов.

Добавление одной части этанола в бензин ведет к экономии трех частей нефти. Кроме того, спирт является единственным возобновляемым жидким топливом, использование которого в качестве добавок к бензину не требует изменения конструкции двигателей.

Планируется, что в ближайшее время потребление биоэтанола в США достигнет 19 млн т/год.

Кукуруза не является лучшим сырьем для производства биоэтанола, так как затраты при этом в два раза выше стоимости использованного топлива. Необходимо искать другие сырьевые источники. Например, предлагается производить биоэтанол из древесной целлюлозы – полимера глюкозы – или использовать традиционные источники сахарозы и крахмала: сахарную свеклу (меласса, свекольный жом), сахарный тростник (багасса), сладкое сорго, картофель и т.д.

Интерес представляет европейский проект «Сладкое сорго». В нем приводятся данные о том, что из сладкого сорго, собранного с 1 га, можно получить багассы (сухой) 15 т, зерна 5, сахара 7, листьев 1,88, корней 2,3 т, биоэтанола 3 – 5м3.

Прогнозируется, что к 2020 г. в мире будет произведено 120 млн т биоэтанола (в США и Канаде – 40 млн т).

Биоэтиптрибутиповый эфир (bio-etbe)получается смешиванием биоэтанола (48 % по объему) и третичного бутанола с последующим нагреванием в присутствии катализаторов (октановое число 112). Он используется в смеси с бензином для любых двигателей.

Биодизельноетопливо – это продукт эфиризации (метилирования) растительных масел. В настоящее время в мире потребляется 145 л/чел в год дизельного топлива. Производство биодизельного топлива составляет, млн т/год: мировое 1,7, в странах Европейского союза 1,5 (в Восточной Европе 0,1), в США 0,07. Прогнозируется, что к 2020 г. мировое производство биодизельного топлива может составить 23 млн т/год.

В Европе для получения биодизельного топлива используется рапсовое масло (1,0 – 1,5 т/га). Оно метилируется метанолом (1 т масла + 100 кг метанола + 100 кг глицерина) и добавляется к дизельному топливу в количестве 5 %. Современные дизельные двигатели могут работать полностью на биодизельном топливе.

Биометанолможет стать предпочтительным топливом для топливных элементов. Его получают из биосингаза или из смеси Н2 и СО, получаемых из биомассы в присутствии О2 (производство синтетического метанола составляет 27 млн т/год).

Биоводород. Один из методов его производства из биомассы – это ацетонобутиловое или бутиловое брожение сахарозы или крахмала. Ацетоно­бутиловое брожение (Cl. Acetobutylicim) сахарозы происходит по следующему механизму: 2 М глюкозы = 1 М бутанола + 1 М ацетона + 4 М водорода + 5 М СО2 (где М – молекула).

Из 1 т мелассы образуется 80 м3 водорода. С 1 га плантаций сахарной свеклы (мелассы) можно получить до 140 м3 водорода. Попутно из 1 т мелассы вырабатывается примерно 114 и 36 кг бутанола и ацетона, а из всего годичного объема мелассы – 125 и 40 тыс. т.

Из 1 т мелассы можно получить до 140 м3 водорода (из всей произведенной в 2003 г. мелассы – 154 млн куб. м водорода), а с 1 га плантаций сахарной свеклы – 245 м3.

В СССР до конца 70-х гг. XX в. работало четыре ацетонобутиловых завода: в городах Грозном, Нальчике, Талице (Свердловская обл.) и Ефремове (Тульская обл.). К концу 90-х годов остались заводы только в Грозном и Ефремове.

На заводе в Ефремове в сутки производилось до 50 т растворителей в соотношении бутанол: ацетон: этанол = 13:4:1 и до 29 тыс. м3 водорода (в год 15 тыс. т растворителей и до 8,7 млн м3 водорода), а в Грозном – 74 т растворителей и 43 тыс. куб. м водорода (в год 12,9 млн м3 водорода и до 22 тыс. т растворителей).

Весь образующийся водород выпускался в атмосферу, а углекислый газ использовался для производства жидкой и твердой углекислоты.

Ацетонобутиловый завод в Ефремове можно восстановить.

В 1967 г. на ацетонобутиловом заводе в Ефремове и в 1969 г. – в Грозном были введены в эксплуатацию цеха по выпуску кормового витамина В-12 методом термофильного метанового брожения барды (жидких отходов этих производств). Кроме витамина В-12 каждый цех производил биогаз до 30 тыс. м /сут, который использовался для получения тепловой энергии и полностью обеспечивал весь производственный цикл. При этом перерабатывалось барды 3 тыс. м3 /сут.

Для получения биоводорода из крахмала используются картофель и сорго. При ацетонобутиловом брожении из 1 т картофеля можно получить 25 м3 водорода, 340 кг бутанола и 110 кг ацетона (с 1 га картофельных плантаций – 875 м3 водорода, 12 т бутанола и 4 т ацетона); при бутиловом брожении из 1 т картофеля – 42 м3 водорода (с 1 га – 1 500).

Переработка 1 т стеблей сорго при ацетонобутиловом брожении дает до 30 м3 водорода, 114 кг бутанола и 40 кг ацетона, а при бутиловом брожении – 50 куб. м водорода (с 1 га плантаций сахарного сорго при ацетонобутиловом брожении – 900 м3 водорода, 3,4 т бутанола и 1,2 т ацетона, при бутиловом брожении —1 500 м3 водорода).

Получение биодизельного топлива. В России имеются возможности производства растительных масел для получения и экспорта биодизельного топлива. Основными природными источниками растительных масел являются подсолнечник, лен и горчица. Значительно меньше используются кукуруза, соя и рапс. Ве­дущее место занимает подсолнечник. В 2000 г. в России произведено более 4 млн т растительных масел.

Перспективным является расширение традиционного российского производства льна в средней полосе, а в южных регионах – подсолнечника, сои и рапса.

Достижения развитых и развивающихся стран в области производства и потребления биотоплив представляют значительный интерес как для решения локальных энергетических проблем в современной России, так и для выхода России в качестве крупного поставщика биотоплив на мировой и европейские рынки.

Биогаз (смесь 55 – 75 метана и 25–45 % СО2) получается путем метанового брожения биомассы (80 – 92 %-ной влажности). Его теплота сгорания составляет 21 – 29 МДж/кг (5000 – 7000 ккал/м3) и зависит от концентрации метана. Количество метана, в свою очередь, определяется биофизикохимическими особенностями сырья и в некоторых случаях применяемой технологией. Выход биогаза из 1 т абсолютно сухого вещества составляет, м3: 250 – 350 для отходов жизнедеятельности крупного рогатого скота, 400 – для отходов птицеводства, 300 – 600 – для различных видов растений, до 600 для отходов (барды) спиртовых и ацетонобутиловых заводов.

Ведущей страной по количеству крестьянских биогазовых установок является Китай (более 10 млн установок). Здесь в год производится около 7 млрд м3 биогаза, что обеспечивает топливом около 60 млн крестьян.

Среди промышленно развитых стран наиболее широко биогаз используется в Дании, где доля биогаза составляет до 18 % общего энергобаланса страны.

С 1987 по 1995 г. в Европе построено более 150 крупных промышленных биоэнергетических станций на базе использования биогаза. В 2001 г. в мире было введено в эксплуатацию свыше 1 000 биогазовых установок и станций, из них: 45 % – в Европе, 15 % – в США и далее следуют Бразилия, Китай, Индия и другие старны.

Значительная часть производимого биогаза используется для получения электрической энергии (48 – 104 кВт*ч на 1 т перерабатываемого сырья, как правило, органических отходов).

В провинции Онтарио (Канада) построен биогазовый завод по переработке 180 тыс. т/год ТБО и производству 25 млн м3 /год биогаза, который конвертируется в 5,5 МВт тепловой и электрической энергии и 60 тыс. т/год компоста.

К производству биогаза относится также получение лендфиллгаза. В настоящее время во многих странах создаются специальные инженерно обустроенные хранилища для ТБО с целью извлечения из них биогаза, используемого для производства электрической и тепловой энергии.

В мире лендфиллгаз применяется в энергооборудо­вании различных типов:

Количество, шт.

 

Газовые двигатели (двигатели внутреннего сгорания) 581

Газоводяные котлы 277

Тепловые электростанции 187

Газовые турбины 39

Системы выпаривания 17

Печи для обжига 14

В местечке Мон-Сант-Гуиберт (Бельгия) работает электростанция из 13 модулей, использующая биогаз. Она перерабатывает 300 тыс. т ТБО в год. Ее мощность составляет 9,5 МВт, мощность одного модуля 700 кВт. Скорость поступления лендфиллгаза (50 % метана) 5500 м3/ч.

В США к 2002 г. эксплуатировалось 350 заводов по производству лендфиллгаза, в Европе – 750. Всего в мире их 1152 общей электрической мощностью 3929 МВт; они перерабатывают 4548 млн т отходов в год; общая скорость выделения биогаза – 1,6 млн м3 /ч.

 






Дата добавления: 2016-10-07; просмотров: 1486; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ


Поиск по сайту:

Воспользовавшись поиском можно найти нужную информацию на сайте.

Поделитесь с друзьями:

Считаете данную информацию полезной, тогда расскажите друзьям в соц. сетях.
Poznayka.org - Познайка.Орг - 2016-2022 год. Материал предоставляется для ознакомительных и учебных целей.
Генерация страницы за: 0.03 сек.