СРАВНИТЕЛЬНАЯ ОЦЕНКА ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ ТЕХНОЛОГИЙ ПОЛУЧЕНИЯ БИОТОПЛИВ ТРЕТЬЕГО ПОКОЛЕНИЯ ТЕРМОХИМИЧЕСКИМ МЕТОДОМ Текст научной статьи по специальности «Промышленные биотехнологии»

ЭНЕРГИЯ БИОМАССЫ

ENERGY OF BIOMASS

Статья поступила в редакцию 10.11.2011. Ред. рег. № 1144 The article has entered in publishing office 10.11.11. Ed. reg. No. 1144

УДК 621:66.0:662

СРАВНИТЕЛЬНАЯ ОЦЕНКА ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ ТЕХНОЛОГИЙ ПОЛУЧЕНИЯ БИОТОПЛИВ ТРЕТЬЕГО ПОКОЛЕНИЯ ТЕРМОХИМИЧЕСКИМ МЕТОДОМ

1 12 2 2 В.Г. Систер , Е.М.Иванникова , В.Г. Чирков , Ю.А. Кожевников , С.В. Чирков

Московский Государственный университет инженерной экологии 105066 Москва, ул. Старая Басманная, д. 21/4 Тел.: (499) 261-50-57, факс: (499) 267-19-70, e-mail: iegh510@yandex.ru 2Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства (ВИЭСХ) 109456 Москва, 1-й Вешняковский проезд, д. 2 Тел.: (499) 171-19-20, факс: (499) 170-51-01, e-mail: alaskashelf @yandex.ru

Заключение совета рецензентов: 20.11.11 Заключение совета экспертов: 25.11.11 Принято к публикации: 30.11.11

В статье представлены результаты количественной оценки энергозатрат при термохимической переработке биомассы микроводорослей в жидкое биотопливо для трех технологических методов. Исследовано влияние влагосодержания на общие энергетические затраты и удельные затраты в расчете на единицу теплотворной способности жидкого биотоплива. Предложены технологические циклы, обеспечивающие минимизацию энергозатрат.

Ключевые слова: количественная оценка, энергетические затраты, термохимическая переработка, биомасса микроводорослей, жидкое биотопливо, влагосодержание, технологический цикл, минимизация энергозатрат.

COMPARATIVE ESTIMATION OF THE ENERGY-EFFICIENCY FOR THERMO-CHEMICAL TECHNOLOGIES OF THE 3-RD GENERATION

BIO-FUELS PRODUCTION

V.G. Sister1, E.M. Ivannikova1, V.G. Chirkov2, Yu.A. Kozhevnikov2, S.V. Chirkov2

'Moscow State University of Environmental Engineering 21/4 Staraya Basmannaya str., Moscow, 105066, Russia Tel.: (499) 261 50 57, fax: (499) 267 19 70, e-mail: iegh510@yandex.ru 2All-Russian Research Institute for Electrification of Agriculture 2, 1-st Veshnyakovsky passage, Moscow, 109456, Russia Tel.: (499) 171 1920, fax: (499) 170 5101, e-mail: alaskashelf @yandex.ru

Referred: 20.11.11 Expertise: 25.11.11 Accepted: 30.11.11

In the article results of a quantitative estimation of power inputs at thermochemical processing of a biomass of microseaweed to liquid biofuel for three technological methods are presented. Influence of a moisture content on the general power expenses and specific expenses counting on unit calorific abilities of liquid biofuel is investigated. The work cycles providing minimization of power inputs are offered.

Keywords: quantitative estimation, power expenses, thermochemical processing, moisture content, work cycle, minimization of power inputs.

В категорию битоплив третьего поколения выделены топлива, приготовленные на основе возобновляемого органического сырья, извлекаемого из микроводорослей. В последнее время разработке технологий культивирования и переработки микроводорослей в различные виды биотоплива уделяется повышенное внимание [1-2], что обусловлено, прежде всего, ис-

ключительно высокой производительностью, которая в сотни раз превышает урожайность традиционных сельскохозяйственных культур (табл. 1), высокой приспособляемостью к условиям внешней среды, а также отсутствием территориальной конкуренции наземным растительным культурам.

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 12 (104) 2011

© Scientific Technical Centre «TATA», 2011

Таблица 1

Объемы производства масел микроводорослей с единицы площади в сравнении с традиционными масличными культурами

Table 1

Volumes of output of oils of microseaweed from area unit in comparison with traditional olive cultures

В своем подавляющем большинстве исследования в сфере биотопливного применения микроводорослей направлены на разработку технологий производства моторного биодизельного топлива (БДТ), получаемого в промышленных масштабах методом каталитической переэтерификации масел, содержащихся в растительной биомассе [3]. Однако наиболее перспективные для промышленного культивирования в условиях открытых водоемов средней полосы России штаммы микроводорослей характеризуются низким (порядка 10% абсолютно сухой массы) содержанием липидов, вследствие чего производство из них БДТ оказывается малорентабельным. В то же время биомасса микроводорослей помимо липидов содержит другие органические компоненты, основная доля которых приходится на углеводы и белки (табл. 2). При этом все без исключения вещества, входящие в состав биомассы микроводорослей, пригодны для приготовления различных видов биотоплива с применением термохимического процесса, являющегося наиболее универсальным технологическим методом, позволяющим получать твердые, жидкие и газообразные продукты из любого органического сырья.

Таблица 2 Table 2

Сырье Производство масла-сырца, л/га

Кукуруза 200

Хлопок 300

Соя 500

Подсолнечник 900

Рапс 1200

Кокос 2700

Масличная пальма 6000

Микроводоросли 95000

Компонентный состав фитомассы микроводорослей Component composition of the phytomass of algae

Компонент Содержание, Эмпирическая % масс. формула Элементный состав, % Q, МДж/кг

С Н О N S

Жирные кислоты

олеиновая С 18:1 0,1-8,6 С18Н34О2 76,6 12,1 11,3 - - 37,1

пальмитиновая С16: 0 2,9-63 С16Н32О2 75,0 12,5 12,5 - - 36,9

миристиновая С 14:0 0,2-32,7 С14Н28О2 73,7 12,3 14,0 - - 36,1

стеариновая С18:0 0,1-16,3 С18Н36О2 76,6 12,7 11,3 - - 37,8

линоленовая С18:3 0,1-14,2 С18Н33О2 76,9 11,7 11,4 - - 36,8

линолевая С18:2 0,1-24,3 С18Н32О2 77,1 11,4 11,4 - - 36,6

Углеводы С6Н12О6 40,0 6,7 53,3 - - 14,6

Белки - 50-55 6-7 21-23 15-17 0,3-2,5 22,8

В настоящей работе проведена оценка энергетической эффективности термохимического процесса получения биотоплив третьего поколения методом быстрого пиролиза на примере так называемой «бионефти» - жидкого энергетического продукта, выделяемого путем конденсации из паровой фазы, образующейся в результате термического разложения биомассы микроводорослей. Этот жидкий энергетический продукт первоначально рассматривался в качестве альтернативного моторного топлива [4, 5] но в силу несоответствия требованиям существующих стандартов [6] к настоящему времени нашел применение исключительно в виде котельного топлива [7].

Оценка энергетических затрат в типовом цикле переработки

При оценке энергетических затрат рассматривались две составляющие, первая из которых относится к энергии, необходимой для декомпозиции полимерной части вещества. Эту часть энергетических затрат на единицу массы сырья, практически не зависящую от типа термохимического процесса и принципа действия реактора, можно рассчитать по формуле

Eorg = (TR - T\)Corg + D,

(1)

Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 12 (104) 2011 © Научно-технический центр «TATA», 2011

где Согг - средняя эффективная теплоемкость органической части сырья в диапазоне нагрева от начальной температуры сырья, загружаемого в термохимический реактор, до температуры, при которой осуществляется процесс термического разложения; Б - энергия разрыва связей в молекулах органического вещества.

Первое слагаемое в формуле (1) относится к энергии, затрачиваемой на нагрев органической массы сырья до температуры, при которой происходит ее разложение.

Величину Б можно рассчитать по формуле

D = aRTR,

(2)

где Я = 8,314 Дж/(мольК) - универсальная газовая постоянная; а - коэффициент, учитывающий эффективность передачи энергии веществу (значение этого параметра лежит в пределах от 1 до 1,1).

Рис. 1. Энергетические затраты на единицу массы сырья Fig. 1. Power expenses for raw materials mass unit

Расчет параметра Б для рабочей температуры в реакторе ТЯ = 860 К (типовое значение для технологии быстрого пиролиза) дает величину порядка 0,05

МДж на 1 кг массы органического вещества (рис. 1, линия а), что составляет всего 3-4% от энергетических затрат на ее нагрев до температуры, при которой осуществляется процесс ее термического разложения (рис. 1, линия Ь). При этом предполагалось, что в результате термохимических реакций, приводящих к декомпозиции органической составляющей, образуются продукты со средней молекулярной массой порядка 160 (что примерно соответствует единичному звену целлюлозы - наиболее термостойкого органического компонента биомассы микроводорослей).

Вторая составляющая энергетических затрат QW обусловлена присутствием влаги в биомассе микроводорослей как балластного компонента, не вносящего вклада в теплотворную способность произведенного жидкого биотоплива. Эту часть энергетических затрат можно рассчитать для типового одностадийного технологического процесса как сумму трех слагаемых: 1) энергия, необходимая для нагрева влаги от начальной температуры Т1 до температуры кипения Тв; 2) скрытая теплота перехода влаги в парообразное состояние; 3) энергия, необходимая для нагрева водяного пара до температуры, при которой осуществляется термохимическое разложение молекул органического вещества:

Qw = (Tb - T)CL + Qn + (Tr - TB)CS,

(3)

где ТЯ - рабочая температура в термохимическом реакторе; Сь и С - средняя теплоемкость воды в жидком и парообразном состоянии соответственно; QN - удельная теплота парообразования при нормальном давлении (при температуре Тв = 373 К).

Результаты расчета приходящихся на единицу сырья удельных энергетических затрат, обусловленных присутствием влаги по формуле (3), представлены на рис. 1 линией с. Значения параметров, использованные при расчетах, приведены в табл. 3.

Значения параметров, использованные в расчетах The values of parameters used in calculations

Таблица 3 Table 3

Параметр Физический смысл Значение

Ti Начальная температура сырья, К 298

Tb Температура кипения воды при нормальном давлении, К 373

T2 Температура вывода воды в паровую фазу из капилляров растительной ткани, К 378

Tr Температура, при которой производится процесс разложения биомассы 860

Tc Критическая температура воды 374

Cl Средняя теплоемкость воды, кДж/(кгК) 4,2

Cs Средняя теплоемкость водяного пара, кДж/(кгК) 2,0

C ^org Средняя теплоемкость органического материала, кДж/(кгК) 1,58

Qorg Теплотворная способность абсолютно сухого органического материала, МДж/кг 21

Qn Скрытая теплота парообразования воды при нормальном давлении, кДж/кг 2261

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 12 (104) 2011

© Scientific Technical Centre «TATA», 2011

Варианты минимизации энергетических затрат

Поскольку вклад влаги в энергоемкость процесса достаточно велик, технологические циклы, предусматривающие вывод ее из реактора по мере выброса в паровую фазу, могут обеспечить существенное снижение энергетических затрат. Одним из технических решений в этом направлении является применение термохимических реакторов с камерой предварительной подготовки, в которой осуществляют отделение влаги от органического сырья и ее вывод из технологического цикла. Энергетические затраты, обусловленные присутствием влаги, для такого двухстадийного цикла можно оценить следующим образом:

QW2 = (Г2 - ВД + QN, (4)

где Г2 - температура в камере предварительной подготовки, при которой осуществляется отделение влаги от органической массы. Эту температуру выбирают чуть выше точки кипения воды в свободном состоянии, что необходимо для преодоления сил поверхностного натяжения, удерживающих влагу в капиллярах растительной ткани. Остальные переменные имеют тот же физический смысл и те же численные значения, что и в формуле (3). Энергетические затраты, связанные с наличием влаги, в двух-стадийном технологическом цикле представлены на рис. 1 линией ё.

Более высокую энергетическую эффективность может обеспечить метод высокоскоростного нагрева (ВСН), или метод «термоудара» [8]. Физический принцип этой технологии заключается в том, что органический материал за очень короткий интервал времени доводится до предельной точки существования в конденсированной фазе. В этих условиях низкоэнергетические химические процессы не успевают произвести заметного количества продуктов промежуточных реакций, а целевые реакции, приводящие к декомпозиции органического материала, носят лавинообразный характер. Рабочая температура в реакторе при ВСН, определяемая энергией связи наиболее термостойких компонентов, примерно на 100-150 К выше, чем для типового процесса быстрого пиролиза. Тем не менее, дополнительные энергетические затраты на нагрев компенсируются за счет снижения практически до нуля теплоты фазовых переходов, а также за счет уменьшения технологических потерь теплоты благодаря снижению времени процесса.

Практической реализации данного метода мешает низкая теплопроводность энергетического сырья растительного происхождения. Расчеты показывают, что для достижения скорости нагрева порядка 104 К/с, необходимой для осуществления метода ВСН при термохимической переработке древесины в бионефть контактным методом, толщина слоя органической массы должна быть в пределах 10 мкм. До настоящего времени эта задача не была решена в

силу того, что не было предложено соответствующее конструкторское решение, позволяющее формировать столь тонкие слои из органического сырья, традиционно используемого в технологиях пиролиза (отходы деревообработки и растениеводства). Использование биомассы таких, например, штаммов микроводорослей, как хлорелла (наиболее пригодных для культивирования в условиях умеренного климата), позволяет решить данную проблему благодаря достаточно малым (менее 1 мкм) размерам клетки.

На рис. 1 линия e соответствует удельным затратам энергии, связанным с присутствием влаги, при термохимической переработке биомассы микроводорослей методом ВСН. Оценка произведена по формуле

Qw3 = (Tc - Ti)CL + (TR - Tc)Cs, (5)

где T2 - критическая температура воды.

В формуле (5) отсутствует слагаемое, относящееся к скрытой теплоте парообразования, так как при высокоскоростном нагреве влага, удерживаемая капиллярной структурой растительной ткани, успевает достичь околокритического состояния. При этом теплотой парообразования можно пренебречь, так как на практике она составляет величину меньше 15 кДж/кг.

Оценка энергоемкости производства биотоплива в расчете на единицу теплотворной способности

Максимальная теоретическая теплотворная способность сырья, определяемая элементным составом микроводорослей, может быть оценена с использованием различных эмпирических формул, из которых наиболее известной является формула Д.И. Менделеева:

QW = 338C + 1025H - 108,5(0 - S) - 25W, (6)

где C, H, O и S - массовое содержание соответствующих химических элементов в процентах; W -массовое содержание влаги в процентах.

Влага, присутствующая в биомассе микроводорослей, может существенно снижать не только теплотворную способность энергетического сырья, но и энергетическую ценность произведенных из него биотоплив. Теплотворная способность абсолютно сухой массы микроводорослей можно оценить по массовой доле входящих в нее компонентов. Приведенные ниже оценки энергетической ценности био-топлив в зависимости от влагосодержания сделаны для штамма Chlorella vulgaris BIN, содержащей 96 %масс. органических компонентов, в том числе: белков - 50%, углеводов - 40%, жиров - 10%. Теплотворная способность абсолютно сухой органической массы микроводорослей данного штамма, приближенно рассчитанная по формуле (6), составила 21 МДЖ/кг.

Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 12 (104) 2011 © Научно-технический центр «TATA», 2011

Результаты оценки энергетических затрат в расчете на единицу массы жидкого биотоплива, произведенного из биомассы микроводорослей Chlorella vulgaris BIN термохимическим методом, приведены на рис. 2. В расчетах коэффициент преобразования органической массы в бионефть принимался равным 0,65, что является типовым значением для температуры 860 K [4]. Линия а соответствует стандартному методу быстрого пиролиза для одностадийного цикла термохимической переработки. Если принять содержание влаги в бионефти равным его типовому значению при получении стандартным методом (30%), то удельные затраты энергии составят 0,17 МДж на 1 МДж теплотворной способности жидкого топлива. Применение технологического цикла переработки, содержащего стадию вывода влаги из реактора на первой стадии процесса, обеспечивает снижение этих затрат до 14 МДж (линия b). Энергоемкость метода ВСН (линия с) оказывается самой низкой в сравнении с другими рассматриваемыми методами и составляет 0,12 МДж на 1 МДж теплотворной способности бионефти.

11

0,5

0

0 10 20 30 40 50 60

Рис. 2. Удельные энергетические затраты на единицу

теплотворной способности жидкого биотоплива Fig. 2. Specific power expenses for unit of calorific value of liquid biofuel

Выводы

Оценки показывают, что основные энергетические затраты, а также потери энергетической ценности жидкого биотоплива, произведенного методом термохимической переработки из биомассы микроводорослей, обусловлены присутствием влаги. Так, при влагосодержании 20% по абсолютно сухому ор-

ганическому веществу энергетические затраты, связанные с водой, составляют более половины (52%) от общей энергоемкости стандартного одностадийного технологического цикла. При той же влажности сырья энергоемкость термохимического процесса может быть снижена на 14% путем выделения стадии обезвоживания в отдельную технологическую операцию. Применение метода ВСН при том же значении влагосодержания позволяет снизить суммарные энергетические затраты на 24% (или на 28% в расчете на единицу теплотворной способности произведенного жидкого биотоплива) по сравнению со стандартным одностадийным циклом.

Работа выполнена, в том числе, при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ.

Список литературы

1. Melis A. Green alga hydrogen production: progress, challenges and prospects // Int. J. Hydrogen Energy. 2002. Vol. 27. Р. 1217-1228.

2. Metzger P., Largeau C. Botryococcus braunii: a rich source for hydrocarbons and related ether lipids // Appl. Microbiol. Biotechnol. 2005. Vol. 66. Р. 486-496.

3. Росс М.Ю., Стребков Д.С. Биодизельное топливо из водорослей / Под ред. д-ра хим. наук, проф. Ю.М. Щекочихина. М.: ГНУ ВИЭСХ, 2008.

4. Bridgewater T. Towards the "bio-refinery" - Fast Pyrolysis of Biomass // Renewable Energy World. 2001. Vol. 4, No. 1 (Jan.-Feb.). P. 66-83.

5. Панцхава Е.С., Кошкин Н.Л., Пожарнов В.А. Биомасса - реальный источник коммерческих топлив и энергии. Ч. 1. Мировой опыт // Теплоэнергетика. 2001. № 2. С. 21-25.

6. Karaosmanoglu F., Tetik E. Fuel Properties of Pyrolytic Oil of the Straw and Stalk of Rape Plant // Renewable Energy. 1999. Vol. 16, No. 1-4. P. 10901093.

7. Tonsing R. Biomass CHP. Fast Pyrolysis Maximizes Bio-oil Production // Cogeneration & On-Site Power. 2005. Jan-Feb. P. 65-67.

8. Чирков В.Г., Вайнштейн Э.Ф. Применение оптимальных процессов в энергоемких технологиях агропромышленного комплекса // Механизация и электрификация сельского хозяйства. 2002. № 7. С. 20-22.

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 12 (104) 2011

© Scientific Technical Centre «TATA», 2011