CC BY
0Рис. 5 - Структура производства листового стекла по методу его получения, % (по данным [2])
По сравнению с тянутым стеклом, производство которого основано на методе Фурко, оно обладает рядом преимуществ, а именно: характеризуется однородной гладкой поверхностью, благодаря чему не требуется дальнейшая полировка; имеет высокую светопропускаемость (порядка 89...90 %); его оптические свойства исключают вероятность искажения изображения, а стабильная толщина дает возможность высокотехнологичной порезки и обработки кромки. Отличительной особенностью стекла, изготовленного флоат-методом, является, кроме всего прочего, и то, что оно подлежит вторичной переработке. т. е. предполагает нанесение покрытий, закалку, изготовление многослойных стекол и стеклопакетов.
Список литературы
1. Абрамян С.Г., Фарниев Д.К. Характерные особенности прозрачных кровельных материалов // Интернет-журнал «НАУКОВЕДЕНИЕ». Том 8, №2 (2016) http://naukovedenie.ru/PDF/58TVN216.pdf (доступ свободный). Загл. с экрана. Яз. рус., англ. DOI: 10Л5862/58ГУШ16.
2. Аналитический отчет. Рынок листового стекла России и стран СНГ - 2014. ABARUS MARKET RESEARCH. Январь 2015 г. Москва.
URL: http://www.abarus.ru/cnt/complete/raw-materials/StroitMaterials/148/demo
3. Глазков Н.Л. Стекло в архитектуре. Мода или прорыв в будущее // «Архитектура и строительство России» - 2011, №6. С.28-33.
4. Глазков Н.Л. Стекло в архитектуре. Традиции, современные тенденции // «Архитектура и строительство России» - 2010, №9. С.10-17.
5. Низовцев М.И., Терехов В.И. Светопрозрач-ные конструкции с регулируемыми тепловыми характеристиками // PROBLEMELE EENRGGETICII REGIONALE 1(15) 2011. URL: https://www.allbeton.ru/upload/mediawiki/1ce/svetopr ozrachnyie_konstruktsii_s_reguliruemyimi_teplovyim i_harakteristikami_nizovtsev_.pdf
6. Оганесян О.В., Фарниев Д.К. Архитектурно - строительное стекло, как основной материал све-топрозрачных покрытий. //«Проблемы современной науки и образования / Problems of modern science and education». - № 14 (56) . 2016
ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ ТЕХНОЛОГИЙ КОНВЕРСИИ ДРЕВЕСНОЙ БИОМАССЫ В ТОПЛИВО С УЛУЧШЕННЫМИ ПОТРЕБИТЕЛЬСКИМИ СВОЙСТВАМИ
Левин А.Б.
Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана, Мытищинский филиал, доцент, кандидат технических наук
Малинин В.Г.
Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана, Мытищинский филиал, доцент, кандидат технических наук,
Хроменко А.В.
Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана, Мытищинский филиал, доцент, кандидат технических наук,
Афанасьев Г.Н.
Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана, Мытищинский филиал, доцент, кандидат технических наук
ESTIMATION OF EFFICIENCY OF TECHNOLOGIES OF CONVERSION OF WOOD BIOMASS TO FUEL WITH IMPROVED CONSUMER PROPERTIES
Levin A.B.
Bauman Moscow State Technical University, Mytischi Branch, PhD, associate Professor
Malinin V. G.
Bauman Moscow State Technical University, Mytischi Branch, PhD, associate Professor
Khromenko A. V.
Bauman Moscow State Technical University, Mytischi Branch, PhD, associate Professor
Afanasyev G.N.
Bauman Moscow State Technical University, Mytischi Branch, PhD, associate Professor
Аннотация
Рассмотрен материальный и тепловой баланс конверсии древесной биомассы в топливо с улучшенными потребительскими свойствами. Предложены условные интегральные химические формулы древесины и продуктов ее конверсии. Определены коэффициенты массового, теплового и эффективного коэффициентов конверсии биомассы древесины в улучшенное топливо с различным агрегатным состоянием. Введено понятие относительного коэффициента конверсии. Рассмотрены показатели действующих установок по производству жидкого моторного топлива из древесины методом быстрого пиролиза. Показано, что производство из древесины жидкого моторного топлива методами биоконверсии менее эффективно, чем конверсия без использования живых организмов.
Abstract
The material and heat balance of conversion of wood biomass to fuel with improved consumer properties is considered. Conditional integral chemical formulas of wood and products of its conversion are proposed. The mass, heat and effective coefficients of conversion of wood biomass to improved fuel with different aggregate states are determined. The notion of relative conversion rate is introduced. The indicators of existing plants for the production of liquid motor fuel from wood by the rapid pyrolysis method are considered. It is shown that the production of liquid motor fuel from wood by bioconversion methods is less effective than conversion without the use of living organisms.
Ключевые слова: древесина, конверсия биомассы, быстрый пиролиз, жидкое моторное биотопливо, экономическая эффективность.
Keywords: wood, biomass conversion, rapid pyrolysis, liquid motor biofuel, economic efficiency.
В связи с ограниченностью земных запасов ископаемых энергоресурсов и желанием освободиться от необходимости их импорта заметно возрос интерес к проблеме вовлечения различных видов биотоплива в топливно-энергетический баланс. Этот интерес поддерживается также требованиями сокращения антропогенных выбросов в атмосферу парниковых газов, предположительно приводящих к глобальному изменению климата. Биомасса растений, включая и биомассу древесины, может использоваться и тысячелетиями используется как топливо. Однако потребительские свойства биомассы древесины как топлива часто не соответствуют современным требованиям.
В последние годы появился и все более широко используется термин biorefining, что в буквальном переводе означает рафинирование биомассы, т.е. очистку биомассы от нежелательных примесей, ухудшающих качество биомассы как топлива. В русском языке термин рафинирование обычно относят к очистке чего-то, что применимо и без рафинирования, но становится лучше с точки зрения потребителя после рафинирования. Таковы сахар рафинад, рафинированное растительное масло, некоторые металлы и пр. Практически одновременно появился в широком употреблении термин conversion [конверсия] - русская калька: превращение, в более широком смысле - преобразование. В свете сказанного только сушка является истинным процессом рафинирования, поскольку в
этом технологическом процессе из биомассы удаляется только влага, иных химических или физических преобразований не происходит. Уже производство брикетов и пеллет не является рафинированием, поскольку помимо меньшей влажности новое топливо имеет большую плотность. Эти технологии, а тем более процессы газогенерации, углежжения, получения жидкого биотоплива и другие подобные им более адекватно описываются термином конверсия.
В настоящей работе делается попытка разработки общего подхода к оценке эффективности различных технологий конверсии и нахождение «предела улучшения» древесной биомассы как топлива в различных технологиях. При этом рассматривается только материальный и энергетический баланс конверсии. Кинетика процессов не рассматривается. Впервые такой подход был доложен на V Международном симпозиуме РКСД «Строение, свойства и качество древесины - 2014» [1] и затем на XIV Международной конференции «ВИЭ и МЭ автономных стационарных и подвижных объектов 2017». В настоящей работе развивается этот подход, и приводятся новые данные. Аналогичные идеи и приемы при анализе процесса конверсии биомассы в жидкое топливо методом электролиза в среде перегретого пара использованы в работе [2].
Предлагается представить абсолютно сухую обеззоленную древесину как некоторое вещество с
условной химической формулой соответствующей ее элементному составу. Для такого вещества определяется высшая теплота сгорания по формуле Д.И.Менделеева [3]
= 339,5Са/ + 1256Ы'а/ -108,80"а/, кДж/кг. (1)
Целевой продукт конверсии также представляется как другое вещество с условной химической формулой, соответствующей его элементному составу, и соответствующей высшей теплотой сгорания. Затем составляется материальный баланс конверсии с соблюдением очевидных ограничений: находящийся в составе сухой древесины водород в максимально возможном количестве находится в составе целевого продукта конверсии. В то же время в побочных продуктах не содержится ни атомарного, ни молекулярного свободного кислорода, который в максимально возможной степени находится составе диоксида углерода СО2.
Назовем массовым коэффициентом конверсии Щ = Оп / Од отношение массы, конвертировавшейся в целевой продукт конверсии Оп, к исходной массе абсолютно сухой древесины Од . Отношение теплоты сгорания продукта конверсии ^ п к теплоте сгорания исходной древесины ^ д
может служить некоторой характеристикой эффективности процесса с точки зрения повышения теплоты сгорания. Назовем это отношение тепловым
коэффициентом конверсии Г] = О^ /.
Произведение массового и теплового коэффициентов конверсии может служить характеристикой процесса в целом. Назовем эту величину коэффициентом эффективности конверсии
Щ = %Щ.
Покажем применение предложенного подхода на примере конверсии древесной биомассы в нефтеподобное жидкое моторное топливо.
В абсолютно сухом состоянии древесина независимо от породы дерева содержит около 49% углерода, 44% кислорода, 6% водорода и около 1% азота и минеральных веществ - золы [4]. Этот состав обусловлен тем, что древесина всегда образована тремя веществами: целлюлозой, лигнином и гемицеллюлозой.
Сухая обеззоленная масса древесины имеет состав:
= 50% ; н^ = 6%; О^ = 44%.
Условно можно принять, что древесина представляет собой полимер, состоящий из блоков С6Н9О4.
Эта формула дает Са/ = 49,7% = 6 , 2%;
0*а/ = 44,1% , что достаточно точно для целей представленного ниже анализа.
Минеральное моторное топливо, аналог которого должен быть получен из древесины, отличается от исходного сырья практическим отсутствием в его составе кислорода. Приближенно формула такого топлива может быть представлена как я-(СН2). Согласно [5] бензин можно описать формулой
п(СН2,15) и п = 7,0...8,4; дизельное топливо как я-(СН1А) и п =22,8.24,2.
Расчет по (1) дает для абсолютно сухой обеззо-
ленной древесины 0*а/ = 19,75 кДж/кг, для нефте-подобного биотоплива 0*а/ = 47,03 кДж/кг, щ = 47.03/19.75 = 2,38.
Реакция конверсии древесины может быть представлена как
я(С6Н9О4)^ п<4,5(Ш2) + 1,5С +4О) (2)
или
2я(С6Н9О4)^ п(9(Ш2) + 3С + 402) (3)
Из уравнения (4) следует, что из 1 кг сухой древесины может быть получено 126/290 = 0,43 кг нефтеподобного жидкого биотоплива.
Однако в газовой фазе продуктов пиролиза не может содержаться свободный кислород. Следовательно, конверсия должна пойти как
я(2(С6Н904))^ п(8(Ш2) + СО +3Ш2 +Н2О). (4)
Из каждой пары комплексов (С6Н9О4) образуется 8 комплексов СН2, из которых строятся нефте-подобные углеводороды. Массовые доли в составе продуктов составят: нефтеподобное топливо -0,386; вода - 0,062; СО - 0,097; СО2 - 0,455.
Для реакции (4) Цg¡ = 0,386.
Если в реакции синтеза жидкого топлива участвует произвольное число пар комплексов (С6Н9О4), реакция может быть записана как П (2 N (СбН904))^ n((8N+m) СН2 + xС0 +у С02+г Н2О)) (5)
где
N - любое натуральное число;
m, x, у, z - целые числа, зависящие от сомножителей, составляющих число N.
Самым вероятным путем реакции является тот, для осуществления которого необходимо минимальное количество молекул исходных веществ. Однако, даже если часть реакций пойдет при участии большего числа молекул, результат не может существенно измениться. Для дальнейшего анализа принято значение массовой доли жидкого топлива в продуктах пиролиза 0,386.
Для процесса (4) коэффициент эффективности конверсии 0,919.
Наиболее перспективной технологией получения жидкого моторного топлива принято считать быстрый пиролиз, в котором процесс пиролиза древесной биомассы и конденсации продуктов пиролиза происходят в доли секунды. Предполагается, что образующийся при этом жидкий продукт, так называемая «бионефть», может стать сырьем для получения качественного моторного топлива.
В реально действующих экспериментальных и полупромышленных установках быстрого пиролиза (УБП) массовые доли фракций обезвоженных продуктов быстрого пиролиза составляют в среднем: 60.70% - жидкость (бионефть), 14.20% -твердое углистое вещество, около 20% - газы. По данным [6] в состав жидкого продукта быстрого пи-
ролиза входят 21 % воды, 18% органических кислот, а также спирты, сахара, альдегиды, эфиры, ке-тоны, фураны и другие вещества, pH=2,43.
Элементный состав обезвоженной жидкой фракции характеризуется следующими величинами: Са/= 45...65%; Н^ = 5...7%; Оа=30.. .47%; N¿4/+ sdaf + Adaf в сумме менее 0,5% [7]. Высшая теплота сгорания сухой массы 22.24 МДж/кг, рабочей массы 15.19 МДж/кг. Разные технологии быстрого пиролиза дают различные значения для содержания кислорода О¿а/, и углерода Са содержание водорода остается приблизительно одинаковым и соответствует содержанию его в сухой древесине.
Приведенные данные позволяют представить обезвоженный продукт действующих УБП как условное вещество, характеризуемое формулой я-(С9Н12О5) и элементным составом: СА/= 54%; = 6%; О^= 40%. Это продукт часто называют «бионефтью».
Для этого условного вещества низшая теплота сгорания составляет ( = 17,5, высшая - ( =
21,4 МДж/кг. В жидком продукте, производимом в УБП, содержится значительная доля кислорода, отсутствующего в нефтяном моторном топливе. Усредненные значения массового, теплового и эффективного коэффициентов конверсии для действующих полупромышленных установок конверсии древесной биомассы в жидкое топливо составляют ^ = 0,51; ^ = 1,09; щ = 0,555.
Сравнивая величины в строках 2 и 3 таблицы, убеждаемся что методом быстрого пиролиза вместо вещества с теплотой сгорания 47 МДж/кг получается жидкость с теплотой сгорания всего на несколько процентов превышающей теплоту сгорания исходной биомассы.
Сравнение показателей конверсии по желаемому теоретическому сценарию с результатами реально действующих УБП показывает, что пока не достигнуты приемлемые показатели эффективности [8]. Элементный состав и теплота сгорания
жидкого топлива мало отличаются от показателей исходной древесной биомассы. Единственным преимуществом продукта конверсии является б'оль-шая энергетическая плотность, что создает преимущество при транспортировке, включая нигде пока не осуществленную возможность использования продуктопроводов. Ответ на вопрос, достаточно ли этого преимущества, чтобы перевесить негативное влияние высокой коррозионной активности продукта и загрязнение его водой и углистым веществом, может дать только длительный опыт эксплуатации установок.
Не ясно, найдет ли такой продукт хоть какое-нибудь применение, кроме использования в качестве топлива паровых и водогрейных котлов. Но в этом случае эффективнее сжигать непосредственно древесную биомассу.
Естественным представляется оценивать степень приближения действительно полученной смеси к заявленной цели конверсии отношением
действительного коэффициента ]эфд эффективности конверсии к теоретическому ]эф т:
J о = ]ф.д ]эф.т . (6)
Назовем это отношение относительным коэффициентом эффективности конверсии. Для
процесса, осуществляемого в действующих УБП, относительный коэффициент эффективности составляет j = 0,555/0,919 = 0,604 .
В [8] показано, что капитальные вложения в УБП тепловой мощностью 50 МВт по теплоте сгорания продукта равны вложениям в ТЭС, сжигающую эквивалентное по теплоте сгорания количество любого топлива, в частности, древесного. Это означает, что за удешевление доставки топлива, придется заплатить удвоением капиталовложений в производство энергии.
Возможны различные стратегии конверсии биомассы в жидкое топливо. Рассмотрим их эффективность, используя описанный выше подход.
№ Вещество кг/кмоль Cdaf%% Hdaf%0 Oda/<% Q,daf, МДж/кг ng nq Пэф
1 Древесина и-(С6Н9О4) n(145) 49,7 6,2 44,1 19,75 - - -
2 Нефтеподобное топливо и(СН2) n(14) 85.7 14.3 0 47,03 0,386 2,38 0,919
3 Бионефть УБП И^ (С9Н12О5) n(180) 54 6 40 21,40 0,51 1,09 0,555
4 Метанол СН4О 32 37.5 12,5 50 22,9 0,497 1,16 0,576
5 Этанол C2Н6О 46 52,2 13 34,8 30,11 0,476 1,52 0,723
6 Пропанол С3Н8О 60 60 13,3 26,7 34,01 0,465 1,72 0,800
7 Бутанол С4Н10О 74 64,9 13,5 21,6 36,47 0,459 1,85 0,848
8 Диметиловый эфир C2Н6О 46 52,2 13 34,8 30,22 0,476 1,52 0,723
9 Синтез-газ КС4Н9О4) n(121) 39.7 7.4 52.9 17,02 0.834 0,860 0,72
10 Уголь 12 100 0 0 33,95 0,455 1,72 0.782
Таблица
Состав, теплота сгорания и коэффициенты конверсии биомассы древесины в топливо с улучшенными
потребительскими свойствами
11 «(С4Н9) n(57) 84,2 15,8 0 48,4 0,393 2,45 0,963
12 n(CeH) n(73) 98,6 1,4 0 35,3 0,497 1.79 0,888
13 n(CeH9) n(81) 88,9 11,1 0 44,1 0,337 2,23 0,750
14 Продукты процесса (12): n(C4H904)+ n(CeH9) n(202) 59,4 8,9 31,7 27,9 0.696 1,41 0.98
В таблице приведены теоретические показатели эффективности конверсии древесной биомассы в вещества, обычно рассматриваемые в качестве заменителей нефтяного моторного топлива: предельные спирты, диметиловый эфир, а также синтез-газ и уголь.
Не приведены данные для такого распространенного продукта конверсии древесины как пел-леты. Элементный состав «белых» пеллет не отличается от состава древесины, а вопросы, связанные с оценкой эффективности производства торрефи-цированных пеллет предполагается рассмотреть в специальной работе.
Рассмотрим подробнее приведенные в таблице результаты.
В строках 4.8 таблицы рассмотрены вещества, получаемые как продукты жизнедеятельности живых организмов - бактерий, грибов, микроводорослей и масличных агрикультур. К ним относятся в первую очередь диметиловый эфир и предельные спирты: метанол, этанол, пропанол, бутанол. Эти вещества производят, главным образом, из пищевого сырья: пшеницы и маиса (США), картофеля и зерновых (Швеция), рапса и других масличных культур (страны восточной Европы), отходов переработки сахарного тростника (Бразилия). Ранее в СССР действовали многочисленные заводы, производившие этиловый спирт из древесного сырья по гидролизной технологии. Это производство к концу XX века оказалось неконкурентоспособно в сравнении с производством технического этилового спирта из ископаемых углеводородов, точно так же, как несколько раньше, и производство метилового спирта из древесины методом сухой перегонки древесины.
Этиловый спирт массово используется как добавка к моторному бензину в Бразилии, США и, в меньших масштабах, в Швеции. В последнее время повысился интерес к бутиловому спирту, который в промышленных масштабах производился всю первую половину XX века из пищевого сырья с использованием бактерии Clostridia acetobutylicum. К концу прошлого века эта технология была вытеснена производством бутанола из ископаемых углеводородов. В настоящее время тенденция увеличения доли ВИЭ в общем потреблении энергии вызвала возобновление интереса к исследованию процессов производства бутанола из непищевого растительного сырья, в частности из древесины.
Представленные в таблице данные показывают убедительное преимущество бутанола перед другими спиртами и перед «бионефтью», получаемой на современных полупромышленных установках. Бутанол более ядовит, чем этанол и вызывает
похожие симптомы при попадании в организм человека, но обладает неприятным и даже отвратительным сивушным запахом, что уменьшает опасность отравления.
Он относительно менее агрессивен по отношению к металлам, не насыщается водой и водяным паром и имеет относительно высокую температуру насыщения (117,4 оС при атмосферном давлении). Октановое число бутанола по исследовательскому методу RON = 96, по моторному методу MON = 78 (для сравнения, у бензинов RON = 91.99 и MON = 81..99 соответственно).
Рассмотрение представленных в таблице данных убедительно свидетельствует, что из технологий, основанных на использовании биологических объектов (бактерий, грибов), результатом жизнедеятельности которых являются спирты, предпочтительно производство бутанола как компонента моторного топлива для двигателей с внешним смесеобразованием.
К сожалению, микроорганизмы хорошо усваивают продукты распада целлюлозы, но не справляются с лигнином. Поэтому реально в процессах конверсии древесной биомассы участвует не вся биомасса, а только целлюлоза и гемицеллюлозы, входящие в ее состав. Соответственно относительный коэффициент конверсии может оказаться довольно низким.
Выходом может стать создание методами генной инженерии организмов способных включить в метаболизм лигнин, либо создание такой технологии конверсии лигнина, которая сделает его не отходом, а источником энергии, например, сырьем для производства качественных пеллет. Возможно ли это, и какова цена вопроса, должно выясниться в ближайшем будущем. Решением задачи, возможно, станет некоторая комбинация указанных подходов. Если этого не произойдет, спирты будут производить из пищевого сырья и, в основном, не для выработки энергии.
В таблице также приведены данные для диме-тилового эфира, который может быть получен из растительных масел или из метанола, в том числе и из метанола, полученного конверсией древесной биомассы. Диметиловый эфир считается возможным заменителем моторного топлива для дизелей.
В строках 9.14 приведены данные технологий конверсии древесной биомассы, не использующих живые организмы. Древнейшей из них является углежжение, более молодой, но тоже с вековой историей, является технология производства генераторного газа.
В 1926 г. Фишером и Тропшем предложена технология получения из углеводного сырья син-
тез-газа, который может быть использован в качестве газообразного топлива или подвергнут дальнейшей конверсии для производства жидкого моторного топлива и моторных масел. Для получения синтез-газа слой раскаленного каменного или древесного угля продувается перегретым паром в герметичной реторте. При этом углерод окисляется до СО и выделяется водород Н2. Из этой смеси на металлических ^и, Со, Fe, Cs) катализаторах с выделением теплоты идут реакции с образования групп -СН2- и их объединение в более или менее длинные цепи СиН2и+2, характерные для бензина.
Известна технология двухстадийного пиролиза, при которой продукты неокислительного высокотемпературного (1000 оС) пиролиза древесины пропускаются через раскаленный уголь, где подвергаются гетерогенному высокотемпературному крекингу, с образованием синтез-газа -смеси водорода Н2 и окиси углерода СО [9]. Суммарно оба процесса можно представить в форме реакции
2п(СбН904)^п(9Н2+8С0+4С). (7) Смесь 9H2+8CO имеет элементный состав условного вещества 2п(С4Н9О4), и реакция процесса (7) может быть представлена как
п(СбН904^п(С4Н9О4)+2пС. (8) Коэффициенты конверсии процесса составляют: щ = 0,834; щ = 0,86; щ = 0,72. Анализ
этих показателей показывает, что синтез-газ, сохраняя большую часть массы исходной древесины, уступает ей по теплоте сгорания и только с оговорками может называться улучшенным по сравнению с исходной биомассой топливом.
Конверсия древесины в углерод может быть представлена как
4п(СбН904)+пО2^18пН2О+24пС. (9) В таком процессе коэффициенты конверсии
равны щ = 0,497; щ = 1,72; щ = 0,855.
Теоретически еще более эффективным был бы процесс конверсии как удаления из состава древесной биомассы содержащегося в ней кислорода в форме СО2 по реакции
^6^4) ^ ЧС4Н9) + 2пС02 . (9) Показатели реакции конверсии (9) равны
щ = 0,393; щ = 2,45; щэф = 0,963, а теплота
сгорания полученного условного вещества п(С4Н9)
составляет 0^= 48,4 МДж/кг,.
Виртуальное вещество п(С4Н9) имеет элементный состав такой же, как смесь хорошо известных и широко используемых веществ: пропана С3Н8 и бутана С4Н10 с мольными долями т с3н8= 0,0715 и т с4н10 = 0,9285, т.е. практически бутан.
Если повести конверсию так, чтобы содержащийся в древесине кислород оказался связан с водородом по реакции
п(СбН904) ^ п(СбН) + 4пН20, (10) то показатели эффективности конверсии окажутся много ниже, чем предыдущем случае.
Наконец, идеальное топливо может быть получено, если суметь отделить весь содержащийся в
древесине кислород, соединив его с соответствующим количеством углерода, добавленного к исходной древесной биомассе, с тем чтобы сохранить в получаемом продукте весь водород древесины по реакции
п(СбН904) +2пС^ п(СбН9) + 2пС02 . (11) Необходимый для реакции дополнительный углерод может быть получен в параллельном процессе пиролиза древесной биомассы. С учетом затрат древесной биомассы на производство углерода (например, в процессе (7)) коэффициенты конверсии для процесса (10) составляют щ = 0,337; щ = 2,23; щф = 0,750. Проведение
параллельно двух процессов (7) и (11) и использование углерода, образующегося в процессе (7), в качестве добавочного углерода для процесса (11) повышает общий коэффициент эффективности конверсии до 0,878. Условное вещество (С6Н9) имеет элементный состав смеси гексана С6Н14 - одного из алканов, в значительном количестве входящих в состав бензина, и бензола С6Н6, также присутствующего в бензинах, с мольными долями тС6ш4=0,643 и тс6нб= 0,357. Такая комбинация процессов конверсии может быть выражена как «(СбВД) ^ п^И^)+2пС
i
. (12)
п(С6Ы904)+2пС ^ п(С6И9)+2иС02.
Разумеется, приведенные в таблице величины относятся к идеальным процессам, в которых соблюдаются только законы сохранения энергии и массы. Ни неизбежные потери массы на разных стадиях процесса, ни потери энергии в окружающую среду не учтены.
Расход абсолютно сухой древесины для производства 1 т целевого продукта определяется соотношением
1
Ьа.с.д. =-, т/т.
Jg
(13)
Если исходное сырье имеет относительную влажность Ш, %, теплота, расходуемая на испарение 1 кг влаги равна ( , то расход его составит 1 100
b = влл jj 100 - W
т/т.
(14)
Если сушка осуществляется с использованием влажной исходной биомассы в качестве топлива, то расход составит
Ж 1 т/т, (15)
, 1 , 100 b = — (т
-)
щ ч100-Ж 100-Ж (100-Ж(а Ж 1000исп 100
где 0исп-теплота испарения 1 кг влаги из древесины, кДж/кг.
Величина 0ИСП зависит от начальной влажности и от соотношения масс свободной и связанной влаги в древесине, так как для удаления равного количества свободной и связанной влаги необходимо затратить различные количества теплоты. Это сложный многостадийный процесс, требующий отдельного рассмотрения [10].
В реальных условиях влажность сырья может меняться от 7...8% (отходы плитного и фанерного производства) до 55.60% (свежесрубленная древесина). При малых влажностях расход исходного влажного сырья на сушку составляет малую долю от расхода на собственно конверсию. При начальной влажности 60% расход биомассы на сушку составляет 25% от расхода влажного сырья на 1 т целевого продукта. Это обстоятельство важно для пи-ролизных технологий и совершенно неважно для биологических технологий, в которых конверсия осуществляется в водной среде.
Анализ данных, представленных в строках 9.14 таблицы, показывает преимущество процессов конверсии, не использующих живые организмы (назовем эти процессы пиролизными), перед биологическими технологиями. Это преимущество существенно больше, чем следует непосредственно из приведенных значений пэф, не учитывающих относительный коэффициент конверсии, который у биологических технологий, по-видимому, не может быть больше 0,7. Как уже было сказано, это связано с тем, микроорганизмы не усваивают лигнин и смолы и приходящаяся на них доля теплоты сгорания не переходит в целевой продукт конверсии. Доля лигнина в составе абсолютно сухой древесины составляет 19.28%, а кроме того в ней содержатся 2.8% смол. Следует ожидать, что в ближайшие годы технологии пиролизной конверсии древесной и иной лигноцеллюлозной биомассы будут развиваться опережающими темпами.
В то же время, авторы полагают, что источником сырья для конверсии биомассы древесины должны служить, главным образом, отходы лесного сектора экономики. Выращивание деревьев специально для использования в качестве топлива, и тем более истребление лесов для освобождения площадей для плантаций сахарного тростника или масличных пальм авторы полагают весьма нежелательной тенденцией. Мировая наука должна сосредоточиться на усовершенствовании способов использования солнечной энергии и способов ее передачи на большие расстояния с минимальными потерями. Использование всего одной тысячной от падающей на Землю солнечной энергии решило бы энергетическую проблему человечества на десятки, если не на сотни лет.
В 2007 - 2008 г.г. случился существенный откат мировых цен на нефть, что негативно сказалось на интересе к производству улучшенного биотоп-
лива, особенно моторного. Вместе с тем ископаемые энергоресурсы на Земле действительно исчер-паемы, и человечество должно задуматься о своем энергообеспечении в постнефтегазовую эпоху.
Список литературы
1. Левин А.Б. Интегральная оценка эффективности производства жидкого топлива из древесной биомассы методом быстрого пиролиза.// Строение, свойства и качество древесины - 2014. Материалы V Международного симпозиума РКСД М.: ФГОУ ВПО МГУЛ, 2015, - 232 с.
2. Bernical Q., Joulia X., Noirot-Le Borgne I., Floquet P., Baurens P., Boissonnet G. Sustainabil-ity Assessment of an Integrated High Temperature Steam Electrolysis-Enhanced Biomass to Liquid Fuel Process// Ind. Eng. Chem. Res., 2013, 52 (22), pp 71897195.
3. Тепловой расчет котлов (нормативный метод). 3-е изд., перераб. и доп. СПб.: Изд-во НПО ЦКТИ, 1998. - 258 с.
4. Левин А.Б.Энергетическое использование древесной биомассы: учебник/ А. Б. Левин, Ю.П. Семенов, В.Г. Малинин, А.В. Хроменко; под ред. А.Б. Левина. - М.: ИНФРА-М, 2016. - 199 с.
5. Гайсина А. Р. Разработка методов оценки физико-химических свойств нефтяных углеводородных систем. Автореферат диссертации на соискание ученой степени к. т. н.- Уфа: УГНТУ, 2009, -24 с.
6. Тунцев Д.В. Исследование свойств жидкого продукта быстрого пиролиза биомассы древесины. http://www.mgul.ac.ru/info/science/conf/mnpk/
7. Железная Т.А., Гелетуха Г.Г. Обзор современных технологий получения жидкого топлива из биомассы быстрым пиролизом и его использова-ние.//Промышленная теплотехника (Киев) - 2005. №4
8. Железная Т.А., Гелетуха Г.Г. Современные технологии получения жидкого топлива из биомассы быстрым пиролизом. Обзор. Часть 2.//Про-мышленная теплотехника (Киев) - 2005.т. 27, №5
9. Лавренов В.А. Экспериментальное исследование двухстадийной конверсии древесной биомассы в синтез-газ. Автореферат диссертации на соискание ученой степени к.т.н.. М.: ОИВТ РАН, 2016. 20 с.
10. Ермоченков М.Г. Прогнозирование свойств термически модифицированной древе-сины.-М.: Горячая линия -Телеком, 2017,-220 с.
