торов можно исходить из среднего количества топлива, необходимого для получения 1 Гкал тепла. Расчеты показывают, что срок окупаемости газогенераторов для отопительного оборудования в зависимости от их номинальной мощности находится в пределах от 1 месяца до 3 лет.

Ресурсами для газогенераторных установок могут служить древесные отходы, в настоящее время используемые в качестве топлива во многих промышленных котельных лесопильной подотрасли . Газогенераторные установки позволяют увеличить мощность промышленных котельных, тепловая энергия которых на многих предприятиях в связи с организацией сушки пиломатериалов , является дефицитной. Основным видом топлива для газогенераторов могут служить окорки древесины, которые не используются котельными из-за большой влажности.

В условиях леспромхозов и лесхозов генераторный газ может использоваться в качестве топлива для газовой котельной, предназначенной для отопления и горячего водоснабжения жилых домов лесорубов.

7.3. Топлива, получаемые из биомассы

Особое внимание в мире придается использованию вторичной биомассы, различных видов отходов земель, сельскохозяйственных, промышленных, лесопереработки и пр. Отходы, образующиеся в большом количестве, занимающие значительные территории, загрязняющие окружающую среду и часто не находящие использования, являются вторичными возобновляемыми энергетическими ресурсами и представляют интерес, прежде всего, для местной энергетики. Они обладают сравнительно высоким энергетическим потенциалом и достаточно эффективно могут преобразовываться в топливо и энергию. Использование отходов в качестве вторичных энергетических ресурсов является важной составной частью энергосбережения и способствует снижению загрязнения окружающей среды.

В Канаде (провинция Онтарио, компания «Дина Мотив энерджи систем») работает завод по получению путем пиролиза жидких органических топлив, перерабатывающий древесные отходы, – 200 т/сут.

Для процесса пиролиза можно использовать до 20 видов биомассы: кукурузную шелуху, багассу, еловую и сосновую древесину, древесину лиственницы, березы, черного тополя, кедра, солому, твердые бытовые лтходы (ТБО) и т. д.

Из 1 т исходного сырья получают 58–80 % жидких органических топлив.

Наилучшим сырьем является кукурузная шелуха, из 1 т которой получается до 80 % жидких органических топлив, 12 % активированного угля, 7 % газов. Сосново-еловая древесина (смесь) позволяет

181

получать до 70 % жидких органических топлив, 14 % угля и 13 % газов; солома пшеницы – 58 % жидких органических топлив, 18 % угля

и24 % газов.

Вэтой области биоэнергетики Россия имеет определенные успехи по созданию современного оборудования для газификации твердой биомассы (древесины, лузги, ТБО).

Вкомпании «Энерготехника» (Санкт-Петербург) создано несколько типов газогенераторов:

Г-ЗМ – мощность 4 МВт, топливо лузга подсолнечника, расход топлива 30 т/ч, КПД 86 %, выход сухого газа 39000 м3/ч. Место установки г. Пологи (Запорожская обл., Украина);

Г-50 – мощность 100 кВт, расход топлива 40 кг/ч, КПД 76 %, выход сухого газа 70 м3/ч;

УТГ-600 – мощность 600 кВт, КПД 83 %, выход сухого газа 500 м3 /ч, расход топлива 380 кг/ч.

При переработке указанных потенциальных объемов древесины

исоломы методами газификации можно получать биосингаза до 85 млрд. м3/год, стоимостью 15 млрд евро (табл.7.2).

Таблица 7.2 Производство биоэтанола из разных культур [33]

Биоэтанол имеет 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

182

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

000тыс. м3 стоимостью 99 млн долл. США.

В2003 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 510 млн долл. США.

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

183

[19].Ниже приведены данные по производству биоэтанола. Стоимость этанола в различных странах составляет, евро/м3:

Мировая потенциальная потребность в этаноле равна 2 млрд

т/год.

Внастоящее 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.

ВБразилии 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%.

Внастоящее 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 долл. США

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.

ВКалифорнии 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.

184

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).

Биоэтилтрибутиповый 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.

Биодизельное топливо – 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.

ВЕвропе 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.

Биометанол может 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).

ВРоссии 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

ирапс. Ведущее место занимает подсолнечник. В 2000 г. в России произведено более 4 млн т растительных масел.

Перспективным является расширение традиционного россий-

185

ского 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.

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 м3 водорода), а с 1 га плантаций сахарной свеклы – 245 м3.

ВСССР 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

вГрозном – 74 т растворителей и 43 тыс м3 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.

В1967 г. на ацетонобутиловом заводе в Ефремове и в 1969 г. –

вГрозном 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 м3/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 карто-

фель 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

186