Розділ 3 технології виробництва біопалива

Бізнес-процеси у сфері розвитку виробництва твердого біопалива з біомаси сприятимуть збільшенню нових робочих місць в регіонах країни, де спостерігається безробіття. Поширення енергетичних плантацій на виснажених ґрунтах і на землях виведених з сільськогосподарського використання конкурентоспроможне вже зараз.

Згідно з енергетичними характеристиками, не висушений хмиз верби (вологість 50%) не відрізняється від зрубів некондиційної деревини, що використовується в регіональних котельнях для близько 9 ГДж. Це майже стільки, скільки дає одна тонна брикетів з торфу. Таким чином, з одного гектара верби можна отримати 40 МВт/год теплової енергії. Для забезпечення біопаливом 10 котелень потужністю 1 МВт протягом 6 місяців необхідно 18,7 тис.т. верби. Для вирощування такої кількості біомаси потрібно всього 930 га [ 7 ].

Обрізають (збирають) швидкоростучі верби в зимовий період комбайном, який обладнують спеціальними ножами, що підходять для зрізання кущів і лісових насаджень. Комбайн здатний зібрати біомасу верби з 1 га за 1, 5 години. Якщо плантації розташовані компактно, то один комбайн здатний зібрати за сезон біомасу з 1000 га. Для подрібнення насаджень верби та інших енергетичних культур використовують і самохідні засоби механізації, наприклад, комбайн «Ягуар».

Для маленьких та середніх ферм рекомендують збирати верболоз в оберемки й зв’язувати ії перед подрібненням. Для цього використовують зернозбиральний комбайн, обладнаний спеціальною жниваркою або стаціонарні подрібнювачі. Це устаткування працює за спрощеною технологією, тому дешевше, до того ж воно характеризується високою якістю виконання технологічних операцій.

Біомасу можна використовувати в енергетичних цілях в процесі безпосереднього спалювання твердого біопалива, а також у переробленому в гранули або брикети вигляді, що має величезні переваги в порівнянні з використанням традиційних видів палива. Для виробництва гранул чи брикетів витрачається близько 3% енергії, тим часом як, при переробці нафти ці енерговитрати складають 10%, а при виробництві електроенергії – 60%. Теплотворна здатність гранул чи брикетів становить 4, 5 –5, 0 кВт/кг, що в 1, 5 рази більше, ніж у звичайної деревини і спів ставна з вугіллям. Горіння брикетів в топці котла відбувається більш ефективно – кількість залишків (золи) не перевищує 0, 5 –1, 0% від загального об’єму використаного палива. В умовах органічного землеробства попіл з біомаси використовують як добриво. Спалювання брикетів істотно не впливає на навколишнє середовище, тобто дозволяє зберігати довкілля на сталому рівні.

Для багатьох регіонів України використання власного твердого біопалива доцільніше, ніж вугілля або нафтопродуктів, бо вироблене з місцевої сировини біопаливо обходиться у 2 –4 рази дешевше й потребує значних транспортних витрат на його доставку. використовують тверде біопаливо у вигляді солом’яних брикетів, гранул, зрубок ті відходів сільськогосподарського виробництва. Для утилізації тирси, стружки, пилу та інших залишків деревообробної галузі сировину спершу підсушують до стандартного рівня вологості, а потім гранулюють. Останнім часом гранулюванню піддають січку з соломи чи сіна енергетичних культур. гранульоване біопаливо з біомаси – одне з найбільш придатних до автоматизованого процесу спалювання. Його зберігають у спеціальних бункерах, з яких безпосередньо подаються до енергетичної установки. Весь процес переміщення гранул можна здійснити без застосування ручної праці. солому також спалюють у вигляді брикетів, пресованих рулонів круглого перерізу чи паків прямокутного перерізу або в подрібненому вигляді. Водночас, солома найбільш ефективно заготовлюється із застосуванням пресування в рулони або паки. Застосування фіксації форми рулонів сіткою полегшує їх енергетичне використання.

Довгострокові прогнози науковців всього світу свідчать про появу великої кількості нових технологій виробництва біопалива, адже традиційне на сьогодні виробництво біопалива з рослинної сировини вимагає відведення під її посіви більше 10 % усіх посівних площ, що зменшує можливість вирощування тих культур, які є основою виробництва продуктів харчування. Тому вже сьогодні мова йде про так зване біопаливо другого покоління, для виробництва якого можна використовувати різні види відходів основних переробних виробництв.

Екологічні переваги використання біопалива на сьогодні вже аргументовано доведені. Сумішне дизельне паливо більш екологічно чисте. В процесі його згоряння викидається залишкових вуглеводнів на 68 – 70 % менше, ніж у випадку згоряння звичайного дизельного палива; зменшується також на 70 % і димність відпрацьованих газів ДВЗ. А біопаливо, отримане за технологіями другого покоління, буде більш ефективним та екологічно чистим. Крім того, за прогнозами аналітичних досліджень, потреба в автомобільному пальному в Україні до 2030 року зросте у 10 разів.

Країнами-продуцентами біопалива є держави, що активно розвивають відновлювану енергетику: США, Росія, Китай, Німеччина, Франція. Це пов’язано із бажанням провідних економічно розвинених країн зменшити екологічне навантаження на довкілля за рахунок зменшення токсичних викидів в складі відпрацьованих газів двигунів внутрішнього згорання (ДВЗ).

В Україні можна виділити два напрямки розробок технології виробництва біопалива [4].

Перший напрямок – виробництво високооктанової кисневовмісної добавки (ВКД) із вмістом етанолу до 99, 3 – 99, 7 %. Технологія розроблена УкрНДІ „Спиртбіопром” та впроваджена у виробництво на Барському спиртовому заводі і полягає в азеотропному зневодненні спиртово-водної суміші із використанням циклогексану, як розділяючого агента. В Україні планується використання бензинів з вмістом ВКД до 2 % об’ємних. [ 4].

Другий напрямок – виробництво дизельного біопалива («Біодизель»), що послідовно включає такі стадії :

а) добування рослинної олії із зернових масляничних культур;

б) переетерифікацію гліцеридів насичених і ненасичених кислот карбонових кислот під дією нижчих одноатомних спиртів (Alk –OH) ;

в) очищення і висушування алкілових естерів насичених і ненасичених карбонових кислот, які використовуються як добавки до дизельного пального з метою підвищення цитанового числа, або як самостійний компонент дизельного пального;

г) виділення гліцерину як побічного продукту і надлишку нижчих спиртів жирного ряду;

д) утилізацію відходів виробництва.

Нами досліджені технологічні параметри процесу переетерифікації (температура, час реакції переетерифікації, співвідношення реагуючих компонентів), природа спирту, каталізатора та кінцевий вихід естерів при використанні в якості вихідної сировини ріпакової, соняшникової та кукурудзяної олії; розроблені методи очищення побічного продукту реакції – гліцерину.

Технологічні характеристики отриманого «Біодизелю» досліджували при додаванні його у різних об’ємних співвідношеннях до дизельного пального. При цьому, в першу чергу, контролювали наявність сірковмісних сполук у складі сумішних дизельних палив та у самому «Біодизелі», а також визначили можливість використання промислових добавок для підвищення цитанового числа та антидетонаційних властивостей палива при додаванні метилтретбутилового естеру (у випадку бензинів) та фероцену, відповідно.

За експлуатаційними та фізико-хімічними характеристиками: густина палива, кінематична і динамічна в’язкість, а також поверхневий натяг, дизельне паливо з додаванням «Біодизеля» має близькі фізико-хімічні характеристики у порівнянні з чистим дизельним пальним.

Перспективним для України є отримання біопалива другого покоління з відходів спиртової та олієжирової промисловості.

Найбільш актуальним для підприємств спиртової галузі України є питання утилізації мелясної та зернової барди, так як спиртові заводи утворюють ці відходи у значній кількості. Спиртова промисловість практично не має очисних споруд. У більшості підприємств мелясна та зернова барда скидається у відстійники, які займають великі земельні площі. Екологія спиртової промисловості досягла катастрофічного стану. В роботах [5 –7] досліджено напрямки утилізації післяспиртової барди з метою одержання "біопалива другого покоління".

Перший напрям – використання гранульованої барди в якості екологічно чистого біопалива з високою теплотворною здатністю. Суха гранульована післяспиртова барда являється екологічно чистим біопаливом з високою теплотворною здатністю (табл. 3.).

Таблиця 3