Производство альтернативных видов топлива из растительных отходов Текст научной статьи по специальности «Промышленные биотехнологии»

ГШ

Альтернативное топливо

Производство альтернативных видов топлива из растительных отходов

В.В. Лозовецкий,

профессор МГУЛ, д.т.н., А.А. Шадрин, профессор МГУЛ, д.т.н., Ю.А. Маркова, аспирант МГУЛ, И.В. Статкевич,

аспирант Российского государственного университета туризма и сервиса

Рассмотрена возможность производства альтернативных видов топлива из растительных отходов. Приведены основные физико-химические свойства данного вида отходов и некоторые технологии их переработки, что позволяет оценить перспективность и экономичность этого направления производства нового энергоносителя, который способен хотя бы частично заменить традиционные виды топлива. Показано, что одним из возможных исходных материалов для получения биотоплива являются древесные отходы. Технология их переработки представляет новое направление, перспективность которого для экологии, экономики и мирового климата сложно переоценить.

Ключевые слова: отходы, растительные отходы, климат, экология, биотопливо, древесные отходы.

Production alternative fuels from plant waste

V.V. Lozovetsky, А.А. Shadrin, Ju^. Markova, I.V. Statkevich

The possibility of production alternative fuels from plant waste was considered. The main physical and chemical properties of this type of waste were given and some of the technologies of their processing, which allow to evaluate the prospects and profitability of this line ofproduction of a new energy source that is capable of at least partly to replace traditional fuels. It is shown that one possible source of materials for bio-fuels is wood waste, processing technology of which represents a new direction, which availability for the environment, economy and the global climate is difficult to overestimate.

Keywords: waste, vegetable waste, climate, ecology, bio-fuel, wood waste.

В связи с сокращением запасов ископаемого органического сырья в последние годы во всем мире уделяется серьезное внимание вопросам химической и биотехнологической переработки древесины. В отличие от ископаемых источников органического сырья запасы древесины возобновляются. По ориентировочным

оценкам мировые разведанные запасы нефти примерно равны запасам древесины на нашей планете, однако, ресурсы нефти быстро истощаются, в то время как в результате естественного прироста запасы древесины увеличиваются. Значительным резервом повышения ресурсов древесного сырья является увеличение выхода

целевых продуктов из древесины. В недалеком будущем нас ожидает переход от нефтехимического производства к биохимической и химической переработке древесины и других видов растительного сырья.

По данным Министерства природных ресурсов РФ в 2009 г. было вырублено всего 127 млн м3 древесины (24 % от всей расчетной лесосеки). При заготовке древесины только в лесу остается 7,6 млн м3 (6 %) древесных отходов.

Наряду с этим на предприятиях лесопромышленного комплекса (ЛПК) при переработке древесины образуется более 40 млн м3 (33 %) древесных отходов, из которых используется от 10 до 40 %, в основном в виде топлива (сжигается для получения теплоты и пара для технологических нужд). Постоянно растущие цены на нефтепродукты и уголь способствуют поиску и дальнейшему развитию технологий утилизации древесных отходов. В зависимости от вида отходов можно применять различные технологии их использования. Из отходов ЛПК можно получать как твердое, так газообразное и жидкое биотопливо. А затем уже теплоту, электричество или моторное топливо.

С учетом широкой номенклатуры отходов древесного сырья и в зависимости от целей их классифицируют:

• по виду исходного сырья - сучья, обломки, тонкомер, горбыли, вырезки, карандаши и пр.;

• по породам - хвойные, лиственные;

• по стадийности обработки -первичные и вторичные;

• по влажности - сухие и влажные;

• по форме и размерам - кусковые и мягкие;

• по виду биомассы - древесина, кора, древесная зелень.

По месту образования подразделяют лесосечные отходы, лесосклад-ские и отходы цехов переработки. Среди лесосечных отходов выделяют отходы после заготовки ствола дерева (пни, корни, обломки стволов, отком-левки и козырьки, если раскряжевка

хлыстов ведется на лесосеке). Часто к ним относят и ту часть малоценной древесины, которая находится на лесосеке, но ее используют в технологических целях.

К лесоскладским в РФ относятся отходы поперечной и продольной распиловки заготовленной древесины (козырьки, откомлевки, горбыли, рейки, обрезки, оторцовки пиломатериалов, опилки, кора).

Отходы лесопереработки - это, в основном, смесь полимеров различных углеводов (преимущественно глюкоза) и полимеров фенолов (лигнин), соотношение которых варьируется у различных деревьев. Таким образом, задача делится на две подзадачи:

• превращение полимеров в мономеры - простые сахара;

• синтез из полученных сахаров с использованием различных микроорганизмов продуктов, наиболее востребованных рынком.

Существовавшие в ХХ в. технологии не решали комплексно проблему утилизации отходов лесопереработки, так как единственно доступным способом выделения простых сахаров из древесины был кислотный гидролиз, который создавал большие экологические проблемы, не устраненные до сих пор. Появление в 2000-х гг. в промышленных количествах новых высокоактивных ферментов, разлагающих полисахариды до простых сахаров, позволяет заменить кислотный гидролиз на ферментативный, но только в том случае, если сырье - древесные отходы - будет соответствующим образом подготовлено к такому гидролизу. Большинство технологий в этой области связано с переработкой мягких пород, лиственных пород дерева, предварительно подвергающихся паровому взрыву. Практически отсутствуют разработки в области утилизации отходов хвойных пород дерева, которые составляют львиную долю в отходах лесопереработки в России. Именно разработка технологии переработки отходов хвойной древесины позволит решить проблему утилизации техногенных отходов лесоперерабатывающей отрасли в целом.

Для реализации результатов НИР проводятся ОКР по разработке новых типов технологического оборудования, часть опытных образцов которых прошла тестирование на опытной установке в ОАО «ВСКБТ» в августе-сентябре 2008 г. Новые типы оборудования предполагается использовать на следующих стадиях технологического процесса:

• размол и активация древесины до размера частиц 1...5 мкм производительностью 1___1,5 т/ч.;

• использование нового штамма гриба - продуцента комплекса ферментов для разных видов растительных отходов: лиственных пород дерева, хвойных, соломы;

• непрерывное сбраживание сахаров с периодическим удалением растворителей;

• непрерывное культивирование дрожжей на послебутанольной барде с использованием нового типа ферментера;

• очистка воздуха производственных помещений от паров растворителей на 95_98 % с применением биофильтров.

Проводимые в настоящее время исследования направлены на воссоздание гидролизной подотрасли промышленности на новом технологическом уровне, позволяющем организовать производство без жидких стоков, твердых отходов, газовоздушных выбросов пыли, снизить в 2-2,5 раза долю парникового газа С02, повысить эффективность переработки используемого сырья за счет практически полного перевода в растворимое состояние сахаров, содержащихся в древесине.

При получении этанола из древесины перед гидролизом древесину размельчают до стружек толщиной 3 мм, шириной 10...70 мм и длиной 25 мм.

Гидролиз идет в больших (до 50 м3) гидролизных аппаратах, которые наполняют стружкой, добавляют 0,5%-ный раствор Н2Б04 и вводят пар с

давлением 1___1,2 МПа. Варка идет

40...50 мин. Выход сахара 45_48 % от сухой массы древесины. Реакция среды полученного гидролизата

кислая (рН 1,8...2,2), поэтому гидро-лизат нейтрализуют известковым молоком, в котором содержится 1,1.1,2 кг/л извести. В гидролизате сравнительно мало азота и фосфора, поэтому предварительно к каждому кубическому метру гидролизата добавляют 0,3 кг суперфосфата и 0,15 кг сульфата аммония. При температуре 85 °С через гидролизат продувают воздух (рН 5.6). Гипс осаждают, а прозрачную часть гидролизата после охлаждения используют для сбраживания.

Спирт получают и из мелассы. Предварительная подготовка питательной среды очень проста - мелассу разбавляют с добавлением питательных солей. Для приготовления напитков используют спирт, полученный только из пищевого сырья, для технических нужд - полученный из гидролизатов древесины, сульфитного щелока.

Отечественная технология получения этанола из древесины создана на Кировском ООО «БиоХимЗаводе» (КБХЗ). КБХЗ на сегодняшний день -единственное предприятие в отрасли, которое обладает технологией и производством биоэтанола из непищевого сырья. Биоэтанол - это обычный этанол, получаемый в процессе переработки растительного сырья для использования в качестве биотоплива.

В мире уже давно задумались над альтернативой для традиционного горючего: мировое производство биоэтанола в 2005 г. составило 36,3 млрд л, из которых 45 % пришлось на Бразилию и 44,7 % - на США. Этанол в Бразилии производится преимущественно из сахарного тростника, а в США - из кукурузы. В августе 2005 г. США приняли Энергетический Билль (Energy Policy Act of 2005) и Стандарт возобновляемых видов топлива (Renewable Fuels Standard). Они предусматривают к 2012 г. ежегодное производство 30 млрд л этанола из зерновых и 3,8 млрд л из целлюлозы (стебли кукурузы, рисовая солома, отходы лесной промышленности т.д.).

Прорыв КБХЗ заключается в том, что была разработана технология

производства биоэтанола из непищевого сырья, что особенно актуально в условиях мирового финансового кризиса и нехватки продовольствия. Заводом совместно с ведущими отраслевыми институтами разработана и внедрена промышленная установка по производству топливного этанола, а на его базе - три рецептуры сме-севых высокооктановых бензинов. Один из них по своим физико-химическим характеристикам соответствует стандарту Евро-5 и аналогичен европейской топливной смеси марки Е85 с октановым числом 98 ед. Второй

- А95-БИО с октановым числом 95 ед.

- в своем составе содержит 55 % топливного этанола, что по европейским стандартам относит его к категории альтернативного топлива, произведенного из непищевого сырья.

Основное сырье для производства биотоплива - это древесные отходы. В регионах, где ведется активная лесозаготовка, опил вредит экологии и наносит убытки бюджетам. Он гниет, загрязняя окружающую среду, препятствует восстановлению после вырубок лесной зоны. Применение этанола в качестве добавок к бензинам позволяет уменьшить до 32 % вредные выбросы в отработавших газах при сгорании автомобильного топлива, экономить нефть и газ, а также использовать отходы лесопереработ-ки и продукции сельского хозяйства. Таким образом, КБХЗ решает важные проблемы, которые ставит перед собой все мировое сообщество. Поскольку производство биотоплива из непищевого сырья устраняет сразу несколько экологических проблем

- загрязнение выхлопными газами городов и продуктами переработки отходов лесоперерабатывающего производства окружающей местности - следовательно, оно способствует снижению парникового эффекта.

Разработками КБХЗ сегодня интересуются не только российские ученые, промышленники и государственные институты, но и мировое сообщество. Ученые США и КБХЗ работают над проблемой увеличения выхода этанола с использованием термофильных бактерий -

Методы термохимической переработки биомассы

Технология Выход полезных продуктов (% сухой массы)

Жидкость Уголь Газ

Быстрый пиролиз: температура 450.. .600 °С время < 2 с 75 12 13

Медленный пиролиз: температура 500.700 °С время 5.30 мин 30 30 40

Газификация: температура >800 °С 5 10 85

компонентов третьего поколения. Промышленное использование этих бактерий ученые США планируют только к 2030 г., в то время как на кировском заводе термофильные бактерии уже давно используются в процессе производства. КБХЗ имеет возможность для испытания и практического использования термофильных бактерий на промышленной площадке предприятия. Совместное сотрудничество ученых США и предприятия КБХЗ позволит получить не позднее 2013 г. биологические компоненты с большим коэффициентом конверсии из растительной биомассы

- смеси из высших спиртов и биологических углеводородов.

Энергетическое использование нереализованного потенциала древесной биомассы уже сейчас позволяет заменить более 10 % внутреннего энергопотребления без нарушения баланса экосистемы. Однако прямое использование низкокачественной древесины в энергетических целях сдерживается рядом факторов, обусловленных, прежде всего, свойствами биомассы (нестабильная влажность и размеры, низкая плотность энерговыделения), что приводит к низкой эффективности транспортировки

топливной биомассы, необходимости сбора и концентрации данного ресурса и низкой технологичности сжигания биомассы.

Данные обстоятельства в большинстве случаев снижают экономическую эффективность энергетического использования биомассы, за исключением локального использования. Одним из решений данной проблемы является получение из древесной биомассы жидкого топлива методом пиролиза. Максимальный выход жидких продуктов наблюдается при использовании технологии быстрого пиролиза (таблица) [1].

Процесс быстрого пиролиза заключается в термическом разложении органических соединений биомассы в отсутствие окислителя при относительно низких температурах 450...550 °С, высокой скорости нагрева 500...1000 °С/с и незначительном времени пребывания продуктов в реакционном пространстве.

При быстром пиролизе из 100 кг древесины получается до 75 кг пи-ролизной жидкости и 10___15 кг древесного угля. Образующиеся газ и

уголь могут использоваться для энергообеспечения пиролиза и сушки древесины. Кроме того, уголь после соответствующей обработки может быть реализован как побочный коммерческий продукт.

Основными преимуществами жидких продуктов быстрого пиролиза биомассы при энергетическом использовании по сравнению с исходной биомассой являются их более высокая плотность энерговыделения, меньшие транспортные затраты, повышение технологичности, энергетического использования, возможность прямого сжигания в турбинах и тихоходных дизельных двигателях с генерацией электроэнергии, а также получение коммерческих продуктов для химического синтеза. Для реализации описанной технологии была разработана экспериментальная установка быстрого пиролиза биомассы древесины (рис. 1) [2].

Сырье в виде древесных частиц размером до 50 мм подается в бункер 5, откуда через питатель 6 поступает в реактор 7, где происходит быстрый абляционный пиролиз

сырья с образованием парогазовой смеси и угля. Частицы угля отделяются в циклоне 3. Выходящая из циклона парогазовая смесь подвергается конденсации в конденсаторе, состоящем из распылительной 2 и насадочной 11 колонн. Жидкие продукты собираются в приемной ванне 10. Неконденсируе-мые газы после отвода избыточной части компрессором 1 на генератор 9 для получения электроэнергии подаются с помощью газодувки 4 в реактор 7 для обеспечения конвективного тока и создания избыточного давления в системе. Тепловой энергией процесс обеспечивается с помощью топки 8, работающей на любом виде твердого топлива, в частности, на тех же отходах деревообрабатывающих предприятий. Топочные газы, прогревая реактор 7 через стенку рубашки, поступают в бункер 5 для сушки сырья.

В результате переработки сосновой щепы по описанной технологии на данной установке была получена партия продуктов быстрого абляционного пиролиза в виде горючего газа, мелкодисперсного древесного

Рис. 2. Схема технологического процесса получения этанола датской фирмы Elsam Kraft A/S

угля и гомогенной жидкости - так называемой бионефти.

Анализ проведенных исследований позволяет сделать вывод о возможности энергетического использования бионефти путем ее сжигания в горелках распылительного типа при вышеперечисленных условиях. Однако для повышения эффективности энергетического использования бионефти и стабильной работы существующей технологической аппаратуры необходимы более глубокие исследования процессов горения и свойств бионефти.

Приведенные данные на технологической схеме (рис. 2) получения этанола из другого вида растительных отходов - соломы - свидетельствуют об эффективности и экологичности реализуемых процессов получения этанола. В частности из 1 т соломы может быть получено 250 л этанола, обеспечивающего пробег легкового автомобиля на расстояние 2840 км, произведено 2,5 ГДж теплоты и 0,5 ГДж электроэнергии. Образующийся в процессе производства этанола углекислый газ используется для производства метанола.

В последние годы в США, Канаде, Китае, странах ЕЭС и многих других приняты программы создания экологически чистого автомобильного транспорта, использующего водородное топливо. КБХЗ имеет реальную техническую возможность уже сегодня приступить к практическому использованию водорода в качестве моторного топлива, благодаря чему не только оздоровить экономическую обстановку, но и приблизить сроки более широкого освоения водородной энергетики. Внедрение водородного топлива позволит ускорить освоение самого энергетически чистого и эффективного энергоносителя.

КБХЗ активно ведет работу по созданию биометана на основе гидрирования углекислого газа, образующегося в процессе брожения дрожжей. Эта технология позволяет получить «зеленый газ», производство которого предусмотрено решением Евросоюза на уровне 5 % от мировой добычи природного газа.

Предприятие заключило договор со шведской фирмой Буегкка ТесИ^егт АВ на совместное производство биометана из углекислого газа. Промышленное использование углекислого газа позволит уменьшить выбросы его в атмосферу и способствовать решению глобальной мировой проблемы парникового эффекта.

Основное сырье для производства биотоплива - это древесные отходы. Можно полагать, что нефть в ближайшее время останется основным источником получения энергии, хотя доля биотоплива в мировом энергетическом балансе будет возрастать. Рост значения биотопливной отрасли будет во многом связан с экологическими характеристиками ее продукции. Специалисты WEC (Всемирный энергетический совет) пришли к заключению, что использование биогорючего второго поколения, то есть полученного с помощью технологии преобразования биомассы в жидкость, и получение этанола из целлюлозы позволят снизить выбросы парниковых газов на 90 %.

Тема исследования возобновляемых источников сырья и биологического топлива находится среди приоритетов устойчивого развития и поддерживается правительствами многих развитых лесодобывающих и лесоперерабатывающих стран Европы [3].

В этом контексте повышение энергоэффективности и внедрение энергосберегающих технологий становятся первоочередными задачами для большинства национальных экономик. Данным процессам способствуют как рост цен на энергоносители, так и увеличивающийся объем выбросов парниковых газов, которые приводят к негативным последствиям, связанным с изменением климата и окружающей среды.

Сравнивать целесообразность использования природного газа и древесного топлива только по ценовому фактору не совсем корректно. Древесина является местным топливом, формирующаяся инфраструктура по его заготовке, транспортировке и хранению работает на благо государства.

Предприятия создают рабочие места, платят налоги, задействуют невостребованное ранее сырье и отходы. Перевести эту пользу в денежный эквивалент довольно сложно. Ясно одно, что за этим направлением - будущее. Но поскольку использование современных видов древесного топлива охватывает сразу несколько отраслей, и для всех оно в равной степени новое, много жизненно важных процессов остается нерешенным.

Преимущества биотоплива второго поколения следующие:

• возможность подачи синтетического биотоплива напрямую в инфраструктуру существующих распределительных систем снабжения автотранспорта горючим;

• возобновляемость топлива;

• отсутствие СО2, серы и ароматических углеводородов, в связи с чем даже в долго эксплуатировавшихся моторах не образуются отложения;

• более низкие (на 30...50 %) выбросы в атмосферу в сравнении с ископаемыми энергоносителями;

• более высокий, чем у солнечной и ветровой энергии, потенциал, так как растения «всегда под рукой»;

• возможность дальних перевозок и хранения,а также производства прямо на месте;

• высокая плотность энергии (40 МДж/л), сравнимая по качеству с синтетическим топливом из газа.

Конечно, основным преимуществом биотоплива второго поколения на современном этапе является то, что производится оно из непищевых продуктов, следовательно, не влияет на продовольственный рынок.

Литература

1. Забелкин С.А., Тунцев Д.В., Грачев А.Н., Башкиров В.Н. Энергетическое использование жидких продуктов быстрого пиролиза древесины. //Вестник МГУЛ. Лесной вестник. - 2010. - № 4 (73). - С. 79-84.

2. Грачев А.Н. Исследование быстрого пиролиза древесины в абляционном режиме. Известия Самарского научного центра РАН. - 2008. - Специальный выпуск. - С. 25-29.

3. Кожухов Н.И., Никишов В.Д., Фе-доренчик А.С., Ледницкий А.В. Биотопливо из древесного сырья. Изд-во МГУЛ, 2010. - 452 с.

»ЮПФйявби

«Транспорт на альтернативном топливе» № 3 (21) июнь 2011 г.