Евгений Панцхава - Биоэнергетика. Мир и Россия. Биогаз. Теория и практика. Монография

Институт технологий газа (Institute of Gas Technology, США) и фирма Enviropower Inc. (совместное предприятие Tampella Power Systems, Финляндия, и Vattenfall AB, Швеция), теперь Carbona Inc. (Финляндия), провели работы по доведению до коммерческого уровня технологии газификации БМ под давлением с использованием парогазотурбинных установок. В рамках этой программы в г. Тамере (Финляндия) была сооружена и в 1993 г. запущена пилотная установка с газификатором Tampella ЦКС мощностью 15 МВтт. Установка использовалась для отработки газификации под давлением и производства тепловой энергии. Было наработано более 2000 часов и переработано более 5000 т сырья. Сырьем для газификации служит смесь кокса, биомассы и угля. Биомасса представляет собой различные виды древесных отходов, солому и стебли люцерны. Сырье подвергается предварительному измельчению и просушке. Газификация протекает при температуре 850 °C и давлении 20 бар. [5].

Совместные работы Института технологий газа и Carbona Inc. закончились созданием коммерческого газификатора IGT RENUGASTM. Газификация в этом реакторе проходит при температуре 840…950 °C. Дутьем является смесь воздуха и пара. В настоящее время установка мощностью 8 МВтэ действует на сахарном заводе в Paia, Гавайи (мощность по сухому сырью 50 т/день).

Производство жидкого топлива из биомассы путем термической конверсии: термический пиролиз или газификация в присутствии катализаторов. Реакции происходит так, чтобы в качестве основного продукта получалось жидкое топливо, и при этом можно производить уголь и газ.

Биомасса в течение короткого времени подвергается воздействию экстремально высоких температур (700… 1 400 °C), в результате которого происходят быстрое разложение исходных продуктов и образование новых соединений: этанола, пропилена, углеводородов, близких к бензину. Газ, получаемый с помощью быстрого пиролиза, содержит водород, метан, этилен, пропилен. Использование быстрого пиролиза биомассы выгоднее, чем пиролиза угля, так как биомасса содержит значительно меньше золы, и ее можно подвергнуть воздействию более низких температур. Этому направлению, очевидно, принадлежит будущее. [4–2]

Каталитический синтез метанола из газов, образующихся при термической конверсии биомассы. Изменяя температуру и давление, а также используя уникальные катализаторы, кроме метанола можно получить целый ряд других соединений. Промежуточные соединения образуются и из лигнина. Из 1 т древесины можно синтезировать 410…540 л метанола. Если синтез производить в присутствии водорода, получающегося при электролизе воды, то выход метанола увеличивается до 1 400 л. [4–2].

В газификаторах, использующих кислород вместо воздуха, можно получать газ, состоящий преимущественно из H2, CO и CO 2. Представляет интерес то обстоятельство, что после удаления СО 2можно получить так называемый синтез-газ, из которого в свою очередь можно синтезировать практически любое углеводородное сырье. В частности, при взаимодействии Н 2и СО получается чистый метан. Другим возможным продуктом является метанол – жидкий углеводород с теплотворной способностью 23 ГДж/т. Производство метанола требует организации сложного химического процесса с высокими температурами и давлением и дорогого оборудования. Несмотря на это, интерес к производству метанола объясняется тем, что он представляет собой ценный продукт – жидкое топливо, способное непосредственно заменить бензин. В настоящее время производство метанола с использованием синтез-газа не является коммерческим. Однако технология существует для использования угля в качестве сырья. Она была развита странами, имеющими большой угольный потенциал, в периоды перебоев с поставками нефти. [4]. Разработан процесс ожижения растительной биомассы методом гидрогенизации при 350 °C под давлением водорода при 6,4 МПа. Из 1 т биомассы получают 24 кг синтетической нефти и 160 кг остатка типа асфальта.[6]. Одним из методов получения жидких моторных топлив является термическое растворение древесины в нефтяных фракциях при 380–450 °C под давлением 10,0 МПа. При этом происходит ожижение древесины.[4–6] 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 °C. В качестве катализатора применяют карбонат натрия.[4–6]

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.

К биотехнологиям относятся такие процессы, как: биогазовые технологии; производство этанола, бутанола, изобутанола; получение биодизельных топлив, жирных кислот, растительных углеводородов; производство биоводорода, получение тепловой энергии.

Биогаз – смесь метана и углекислого газа – продукт метанового брожения органических веществ растительного и животного происхождения, осуществляемого специфическим природным биоценозом анаэробных бактерий различных физиологических групп. Метановое брожение протекает при температурах от 10 до 55 °C в трех четко определенных диапазонах: 10…25 °C – психрофильное; 25…40 °C – мезофильное; 52…55 °C – термофильное; влажность составляет от 8 до 99 %, оптимальная 92–93 %.

Содержание метана в биогазе варьируется в зависимости от химических свойств сырья и может составлять от 50 до 90 %. В зависимости от природы исходного сырья изменяется и выход биогаза: от 200 до 600 л на 1 т абсолютно сухого вещества.

К настоящему времени разработано и применяется множество технологий получения биогаза, основанных на использовании различных вариаций температурного режима, влажности, концентраций бактериальной массы, длительности протекания биореакций.