2891

5. БИОТОПЛИВО

Биотопливо – это топливо из биологического сырья, получаемое, как правило, в результате переработки биологических отходов. Различают жидкое биотопливо (для двигателей внутреннего сгорания, например этанол, метанол, биодизель), твердое биотопливо (дрова, брикеты, топливные гранулы, солома, лузга) и газообразное (биогаз, водород).

Биологические вещества растительного происхождения накапливают энергию, извлекая ее из солнечного излучения. Этот сложный процесс преобразования солнечной энергии, в результате которого получается глюкоза, называется фотосинтезом. С помощью биохимического преобразования биомассы может быть получен ряд очень важных для химической промышленности веществ, однако с инженерной точки зрения нас будут интересовать только те вещества, которые могут быть использованы для получения энергии. Такими веществами являются глюкоза и ее полимеры (крахмал и целлюлоза), а также лигнин. Эффективность процесса фотосинтеза не превышает 8 %, тогда как для получения растительной биомассы необходимо затратить множество усилий: выращивание, удобрение, сбор конечного продукта. Таким образом, суммарная эффективность полного цикла получения энергии из биомассы оценивается менее чем в 1 %. Однако, несмотря на все минусы, коммерческий интерес к использованию биомассы достаточно велик как по экономическим, так и по экологическим причинам.

5.1. Состав биомассы

Любое растение можно рассматривать как некую структуру со специализированными органами, обеспечивающими его рост и развитие. Так, за процесс фотосинтеза в растениях отвечают преимущественно листья, а через корневую систему в растение из почвы поступают вода и различные минеральные вещества, которые распространяются внутри растения в виде сока (растения на 50–95 % состоят из воды). В большинстве случаев плоды растения выполня-

81

ют репродуктивную функцию, т.е. являются средством размножения. Все структурные части растения аккумулируют в себе энергию.

Листья, отвечающие за процесс фотосинтеза, содержат различные вещества, в том числе протеины и минералы. Во время своего жизненного цикла большинство растений сбрасывают листья или увядают в зимнее время, при этом листья, попавшие в почву, удобряют ее.

Листья растений можно преобразовать в биогаз (смесь метана и диоксида углерода) посредством их анаэробного разложения, а биологический остаток (шлам), получающийся после разложения, можно использовать в качестве удобрения.

Ствол растений состоит из целлюлозы, гемицеллюлозы и лигнина в приблизительной пропорции 50, 30 и 20 %. Кроме того, в стволе содержатся различные минералы, которые после сгорания образуют золу в количестве около 1 % первоначальной массы. Целлюлоза, полигексоза, гемицеллюлоза и полипентоза являются углеводами. Лигнин имеет фенольную структуру, трудно поддающуюся разложению микроорганизмами.

Энергия в растениях накапливается в виде углеводов, углеводородов и сложных эфиров. Углеводы состоят из сахаров и их полимеров, таких как крахмал, целлюлоза и гемицеллюлоза. Сахара обычно накапливаются в соке, клубнях и плодах растений. Крахмал может накапливаться в плодах (виноград), клубнях (картофель) и корнях растения (маниока). Большая часть углеводородов, находящихся в растениях, относится к полиизопренам (терпенам), т.е. к полимерам углеводорода ацетиленовой группы, изопренов. Большое количество этих веществсодержитсяв молочаеи каучуковомдереве.

Растительные масла насыщены сложными эфирами, которые химически отличаются от углеводородных минеральных масел. Как правило, масло, полученное из мякоти плодов растений, сильно отличается от масла, полученного из его семян. Исключением из этого правила являются оливки, масло плодов которых аналогично маслу семян.

82

Наибольший интерес с инженерной точки зрения представляют масла бобов, не растворяющиеся в бензине, поэтому их можно использовать для смазки элементов бензонасосного оборудования. Так, Р. Дизель использовал масло в качестве топлива в своих двигателях внутреннего сгорания.

Известные способы использования биомассы в качестве топлива:

1.Сжигание биомассы. Древесина, отходы сельскохозяйственного производства (шелуха пшеницы и риса, стволы кукурузы) и другие биологические отходымогут сжигаться в обыкновенной топке.

2.Получение из древесины древесного угля, имеющего лучшие энергетические характеристики по сравнению с исходным продуктом.

3.Газификация древесины с получением горючих газов.

4.Получение из древесины метанола.

5.Использование пальмового масла в качестве топлива для дизельных двигателей.

6.Использование сока некоторых растений, очень богатых углеводами, так же как и пальмового масла, напрямую в дизельных двигателях.

7.Ферментация сахаров и крахмала с получением биоэтанола.

8.Получение из биомассы богатого метанолом биогаза.

5.2. Жидкое биотопливо

Этанол является менее «энергоплотным» источником энергии, чем бензин; пробег машин, работающих на Е85 (смесь 85 % этанола и 15 % бензина; буква «Е» от английского Ethanol), на единицу объема топлива составляет примерно 75 % от пробега стандартных машин. Обычные машины не могут работать на Е85, хотя двигатели внутреннего сгорания прекрасно работают на Е10 (некоторые источники утверждают, что можно использовать даже Е15). На «настоящем» этаноле могут работать только flex-fuel машины («гибкотопливные» машины). Эти автомобили также могут работать на обычном бензине (небольшая добавка этанола всё же требуется) или на произвольной смеси того и другого. Бразилия явля-

83

ется лидером в производстве и использовании биоэтанола из сахарного тростника в качестве топлива. Автозаправки в Бразилии предлагают на выбор Е20 (или Е25) под видом обычного бензина, или acool, азеотроп этанола (96 % С2Н5ОН и 4 % воды; выше концентрацию этанола невозможно получить путем обычной дистилляции). Пользуясь тем, что этанол дешевле бензина, недобросовестные заправщики разбавляют Е20 азеотропом, так что его концентрация может негласно доходить до 40 %. Переделать обычную машину в flex-fuel можно, но экономически нецелесообразно.

Критики применения этанола в качестве автомобильного топлива зачастую заявляют, что под плантации тростника часто вырубаются тропические леса Амазонки, но сахарный тростник не растет в бассейне Амазонки. Более серьезным является то, что при сгорании этанола в выхлопных газах двигателей появляются альдегиды (формальдегид и ацетальдегид), наносящие живым организмам не меньший ущерб, чем ароматические углеводороды.

5.3. Твердое биотопливо

Дрова – древнейшее топливо, используемое человечеством.

Внастоящее время в мире для производства дров или биомассы выращивают энергетические леса, состоящие из быстрорастущих пород (тополь, эвкалипт и др.). В России на дрова и биомассу в основном идет балансовая древесина, не подходящая по качеству для производства пиломатериалов.

Топливные гранулы и брикеты – прессованные изделия из древесных отходов (опилок, щепы, коры, тонкомерной и некондиционной древесины, порубочные остатки при лесозаготовках), соломы, отходов сельского хозяйства (лузги подсолнечника, ореховой скорлупы, навоза, куриного помета) и другой биомассы. Древесные топливные гранулы называются пеллетами, они имеют форму цилиндрических или сферических гранул диаметром 8–23 мм и длиной 10–30 мм.

Внастоящее время в России производство топливных гранул и брикетовэкономически выгодно только при больших объемах.

84

Энергоносители биологического происхождения (главным образом навоз и т.п.) брикетируются, сушатся и сжигаются в каминах жилых домов и топках тепловых электростанций, вырабатывая дешевое электричество.

Отходы биологического происхождения – необработанные или с минимальной степенью подготовки к сжиганию: опилки, щепа, кора, лузга, шелуха, солома и т.д.

Древесная щепа производится путем измельчения тонкомерной древесины или порубочных остатков при лесозаготовках непосредственно на лесосеке или отходов деревообработки на производстве при помощи мобильных рубительных машин или с помощью стационарных рубительных машин (шредеров). В Европе щепу в основном сжигают на крупных теплоэлектростанциях мощностью от одного до нескольких десятков мегаватт. Вместо древесной щепы также используют топливный торф, твердые бытовые отходы и т.д.

5.4. Газообразное топливо

Биогаз – продукт сбраживания органических отходов (биомассы), представляющий смесь метана и углекислого газа. Разложение биомассыпроисходит подвоздействием бактерийкласса метаногенов.

Биоводород – водород, полученный из биомассы термохимическим, биохимическимили другим способом, например водорослями.

На рис. 5.1 представлена классификация 1-го и 2-го поколений газообразного биотоплива.

Метан синтезируется после очистки от всевозможных примесей так называемого синтетического природного газа из углеродосодержащего твердого топлива, такого как уголь или древесина. Этот экзотермический процесс происходит при температуре от 300 до 450 °C и давлении 1−5 бар в присутствии катализатора. В мире уже имеется несколько введенных в эксплуатацию установок получения метана из древесных отходов.

Биотопливо 3-го поколения представляет собой топливо, полученное из водорослей.

85

Рис. 5.1. Упрощенная классификация 1-го и 2-го поколений газообразного биотоплива

Департамент энергетики США с 1978 по 1996 г. исследовал водоросли с высоким содержанием масла по программе Aquatic Species Program. Исследователи пришли к выводу, что Калифорния, Гавайи и Нью-Мексико пригодны для промышленного производства водорослей в открытых прудах. В течение 6 лет водоросли выращивались в прудах площадью 1000 м2. Урожайность пруда в Нью-Мексико составила более 50 г водорослей с 1 м2 в день. 200 тыс. гектаров прудов могут производить топливо, достаточное для годового потребления 5 % автомобилей США. 200 тыс. гектаров – это менее 0,1 % земель США, пригодных для выращивания водорослей. У технологии еще остается множество проблем. Например, водоросли любят высокую температуру, для их производства хорошо подходит пустынный климат, но требуется некая температурная регуляция при ночных перепадах температур. В конце 1990-х гг. технология не попала в промышленное производство из-за низкой стоимости нефти.

86

Кроме выращивания водорослей в открытых прудах существуют технологии выращивания водорослей в малых биореакторах, расположенных вблизи электростанций. Сбросное тепло ТЭЦ способно покрыть до 77 % потребностей в тепле, необходимом для выращивания водорослей. Эта технология не требует жаркого пустынного климата.

5.5. Биореактор

Биореактор – устройство для получения энергоносителей из индустриальных и сельскохозяйственных отходов и биомассы сельскохозяйственных растений.

Наиболее распространенный тип биореактора – метантенк (вещество сбраживается без доступа воздуха при подогреве до 30–50 °С, на выходе– биогаз: ~70 % метана, ~30 % углекислого газа) (рис. 5.2).

Рис. 5.2. Метантенк биогазовой установки

В Китае с 1970-х гг. строится 1 млн метантенков в год. В 2000 г. 30 млн метантенков использовали 109 т отходов => 5 · 1011 м3 метана в год обеспечивает 30 % потребности газа. В Индии в 1930-е гг. приняли первую в мире программу использования биогаза. В наше время 1 млн метантенков в Индии производит более 109 м3 метана в год,

87

и государство субсидирует их установку. В США на биогаз перерабатывается 372 млн т отходов в год с получением 1,5 · 1011 м3 метана, что обеспечивает 1,9 % потребности энергии. В Англии с 1990 г. биогаз покрывает все энергозатраты в сельском хозяйстве.

Природный биореактор, по сути, коровий желудок. Анаэробные бактерии расщепляют клетчатку и вырабатывают из нее низкомолекулярные вещества, которые служат субстратом для других микробов, которые превращают их в СО2 и СН4. Одна корова производит в сутки до 500 л метана; 25 % общей продукции метана на Земле имеет такое «животное» происхождение. Подобные анаэробные бактерии работают в биореакторе. По сравнению с компостированием процесс идет медленнее, но из сырья не пропадает азот, фосфор, не рассеивается тепло. Конечными продуктами являются биогаз, содержащий 60–70 % СН4 (теплота сгорания 1 м3 равна теплоте сгорания 1 кг каменного угля), и качественное удобрение.

Элементы биогазовой установки:

–герметически закрытая емкость;

–теплообменник;

–устройства ввода и вывода биомассы;

–устройство отвода газа.

В качестве теплоносителя используются вода, нагретая до 40–60 °С – «любимой» температуры бактерий.

Внутренние перегородки необходимы для направления потока биомассы и удлинения ее пути внутри реактора с образованием системы сообщающихся сосудов. Число и размещение перегородок зависит от свойств биомассы (плотности, вязкости и т.д.). Для прогрева теплоносителя используется часть биогаза (рис. 5.3).

Переработка навоза идет в бескислородных условиях при постоянно поддерживаемой температуре 40–60 °С. При продвижении через систему происходит перемешивание субстрата.

Длительность переработки, обеспечивающая обеззараживание навоза, не менее 12 сут. После этого можно подавать в реактор новые порции субстрата, извлекая соответствующие количества ферментированного продукта.

88

Рис. 5.3. Биореактор

Масса субстрата практически не изменяется, если не считать испаряемой воды, которая переходит в биогаз. Органическое вещество навоза разлагается на 30–40 %; деструкции подвергаются в основном легкоразлагаемые соединения – жир, белки, углеводы, а целлюлоза сохраняется полностью.

Получаемый биогаз плотностью 1,2 кг/м3 (0,93 % плотности воздуха) имеет следующий состав: СН4 – 65 ± 10 %, СО2 – 34 ± 10 %, сопутствующие газы – до 1 % (в том числе сероводород – до 0,1 %).

Содержание воды в биогазе при 40 °С – 50 г/м3, поэтому необходимаосушкагаза (например, удалениеконденсата послеохлаждения).

Давление газа, получаемого в биореакторе (1…3·103 Па), достаточно для его подачи на расстояние до 0,5 км без компрессоров.

Биогаз – продукт брожения биомассы, представляющий собой смесь метана и углекислого газа с незначительными примесями других веществ. Разложение биомассы происходит под воздействием бактерий.

Для производства биогаза пригоден широкий перечень органических отходов: отходы животноводства, птицеводства, трава, бытовые отходы, отходы различных пищевых производств, водоросли и ряд других отходов. После очистки биогаза от углекислого газа получается биометан – аналог природного газа.

Биогаз используют в качестве топлива для производства электроэнергии, тепла или пара, а также в качестве автомобильного топлива. Для получения биогаза используют биогазовые установки.

89

Принцип работы биогазовой установки (рис. 5.4–5.6)

Рис. 5.4. Схема биогазовой установки

Рис. 5.5. Организация работы биогазовой установки

Отходы периодически подаются с помощью насосной станции или загрузчика в реактор. Реактор представляет собой подогреваемый и утепленный резервуар, оборудованный миксерами. В реакторе живут полезные бактерии, которые питаются отходами. Про-

90