CC BY
36Технико-экономические аспекты внутрихозяйственного производства биодизельного топлива второго поколения из биомассы
Г.С. Савельев,
зав. лабораторией ГНУ ВНИИ механизации сельского хозяйства (ВИМ), к.т.н., Е.Т. Кауров,
инженер ГНУ ВНИИ механизации сельского хозяйства (ВИМ)
Рассмотрены технологические схемы производства биотоплива второго поколения из непищевого сырья. Особый интерес представляет синтетическое жидкое топливо, получаемое каталитическим синтезом из синтез-газа, который производится при газификации биомассы. Исходя из ценовых и теплотехнических характеристик сырья определена коммерческая эффективность производства синтетического биотоплива на установке с годовой производительностью 1500 т.
Ключевые слова: биотопливо второго поколения, газификация, синтез-газ, газогенераторный газ, пиролиз, синтетическое жидкое топливо.
Technical and economic aspects of intraeconomic production of second-generation biodiesel fuel from biomass
G.S. Saveliev, E.T. Kaurov
The technological scheme of second-generation biofuels from nonfood raw materials is considered. Particular interest obtained a synthetic liquid fuel by catalytic synthesis from synthesis gas, which is produced from gasification of biomass. On the basis of price and the thermal characteristics of materials the efficiency of commercial production of synthetic biofuels is determined for installation with an annual output of 1,500 tons.
Keywords: second-generation biofuel, gasification, synthesis gas, gasgenerating gas, pyrolysls, synthetic liquid fuels.
Снижение затрат на моторные топлива, доля которых в себестоимости сельскохозяйственной продукции уже превышают 30%, является одной из самых актуальных задач. Наиболее оптимальным решением является применение альтернативных моторных топлив, цена которых может быть значительно ниже нефтяных топлив. В настоящее время наиболее
реальной альтернативой нефтяным моторным топливам являются газомоторное топливо (ГМТ), биотопливо на основе растительных масел, спиртов и жидкое синтетическое топливо из биомассы.
В настоящее время лидером производства и использования биотоплива из растительных масел является Евросоюз (ЕС). В 2008 г. биодизелем в
ЕС было замещено более 2% объема потребления дизельного моторного топлива. Директивными документами ЕС предусмотрено производство 23 млн. т биотоплива в 2010 г. (5,75% потребляемых моторных топлив) и в 2020 г. - 34 млн. т (8%). Высокие темпы роста производства биотоплива в ЕС обусловлены следующими причинами:
■ высокими (в два раза выше российских) ценами на нефтяное моторное топливо;
■ стремлением обеспечить энергетическую безопасность;
■ диверсификацией сельского хозяйства;
■ высоким цетановым числом у биодизеля из рапса;
■ значительными льготами производителям и потребителям биотоплива;
■ экологическими факторами, включающими снижение выбросов СО, НС, твердых частиц на 43-56 % (в частности, благодаря незначительному содержанию серы в пределах 10-15 ррм и отсутствию ароматических соединений выбросы не содержат оксидов серы и полициклических ароматических углеводородов, при попадании биотоплива в почву происходит его быстрое разложение).
В ЕС 80% биодизеля изготавливается из рапсового масла, поэтому интенсивный рост производства биодизеля в определенной степени способствовал росту цен на рапсовое и другие масла (в два раза за последние два года).
В настоящее время возрастает интерес к технологиям производства биотоплива второго поколения (БДТ-2) из различных видов биомассы, в том числе из отходов непищевого сырья. К ним относятся древесина и отходы ее переработки, торф, солома, отходы животноводства и коммунального хозяйства, а также сырье, получаемое на плантациях быстрорастущих растений.
В соответствии с Национальным стандартом ГОСТ Р 52808-2007 «Энергетика биоотходов. Термины и определения» [1], введенным в действие Приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 27.12.2007 г. №424, к отходам относятся остатки
продуктов или дополнительные продукты, образующиеся в процессе или по завершении определенной деятельности и не используемые в непосредственной связи с этой деятельностью. Отходы образуются при производстве и потреблении продукции.
К биомассе относятся все виды веществ растительного и животного происхождения, продукты жизнедеятельности организмов и органические отходы, образующиеся в процессе производства, потребления продукции и на этапах технологического цикла. Биотопливо - это твердое, жидкое и газообразное топливо, получаемое из биомассы термохимическим или биологическим способом.
Россия обладает огромными сырьевыми запасами биомассы для производства БДТ-2 в виде сельскохозяйственных и лесных ресурсов. Отходы лесо- и деревообработки составляют 700 млн. т в год, твердые бытовые отходы городов - 60 млн. т. По данным Н.Т. Сорокина [2] в АПК ежегодно генерируется 773 млн. т отходов, при переработке которых можно получать около 66 млрд. м3 биогаза и около 112 млн.тудобрений.
По энергетическим показателям ресурсы ежегодно возобновляемой растительной биомассы в 25 раз превышают ресурсы мировой добычи нефти. В настоящее время энергия, получаемая при сжигании растительной биомассы, составляет около 10% от потребляемых энергоресурсов (примерно 1 млрд. т у.т.) [3]. В ближайшей перспективе неизбежно существенное расширение использования биомассы в виде продуктов ее переработки (жидких, твердых топлив и др.), и в первую очередь отходов, которые скапливаются и разлагаются, загрязняя окружающую среду.
Биомасса перерабатывается в топливные и химические продукты различными методами: пиролизом, гидролизом, газификацией, гидрогенизацией.
При пиролизе из 1 т отходов в виде щепы получается 280 кг угля, 200 кг смолы пиролиза и около 200 кг газообразного топлива, которое используется для поддержания процесса пиролиза. Смола пиролиза применяется как котельное топливо или подвер-
Растительная биомасса Сх Н, 02
Газификация воздухом 900-1500°С Состав газа газификации, % об.
СО Н2 С02 М2
25-30 15-20 5-10 50
Газификация водяным паром 700-800°С,
СД0г + Н20
N1 - катализатор
_г_
СО Н. С02
Каталитический синтез 200-250°С, 1 МПа, Со-катализатор
Жидкие углеводороды С5-Си
Со, Ре -катализаторы
Жидкие углеводороды
Н20
Водородное топливо
СО,
Рис. 1. Схема получения углеводородов из растительного сырья при воздушной и каталитической газификации водяным паром
гается гидрооблагораживанию под давлением водорода для получения бензина и дизельного топлива.
Одним из методов получения жидких моторных топлив является термическое растворение древесины в нефтяных фракциях при 380-450°С под давлением 10 МПа. В США уже имеется экспериментальная установка, где из 1 т древесной щепы получается 300 кг топлива типа сырой нефти. Процесс ведется при давлении 28 МПа и температуре 350-375°С. В качестве катализатора применяется карбонат натрия.
В ряде стран (Италия, ФРГ, Аргентина и др.) созданы специальные энергетические плантации быстрорастущих пород древесины на землях, не пригодных для сельского хозяйства. Например, плантации ивы на заболоченных землях дают 25 т древесины с 1 га в год или 15 т в виде сухого древесного топлива. Сбор древесины осущест-
вляется через два года специальными комбайнами в зимнее время года, когда заболоченная земля замерзает.
Разработан новый процесс синтеза нормальных парафинов и изопа-рафинов, а также олефинов из растительной биомассы. Биомасса газификацией воздухом превращается в генераторный газ, содержащий оксид углерода и водород. В газе содержится около 50% азота, поэтому синтез из такого газа компонентов моторных топлив состава С5-С22 является принципиально новым. Ранее во всех технологических процессах синтеза углеводородов применялся газ, состоящий только из СО и Н2.
Парафиновые углеводороды не-разветвленного строения являются хорошими компонентами дизельных топлив. Для производства высокоце-тановых моторных топлив желательно смешение фракций синтетических парафинов с цетановым числом
Таблица 1
Состав газов при газификации различного сырья
Сырье СО н2 со2 02 N2
Древесная щепа 28,1 15,4 6,8 0,5 46,3
Солома 15,4 14,8 13,2 0,2 53,0
Бурый уголь 25,5 14,0 6,2 0,2 51,7
Таблица 2
Состав газов, об. %
СО н2 СО2 N2
30 15 5 50
15 20 15 50
28 15 7 45
77-90, полученных по методу Фишера - Тропша, с дизельными фракциями нефти или продуктов гидрогенизации угля, которые имеют цетановое число 40-50.
Жидкие олефиновые углеводороды, которые получаются при синтезе, помимо топливного назначения, могут найти применение для производства синтетических моющих средств. Из фракции углеводородов С2-С22, полученной из биомассы, в процессе пиролиза на ванадиевом катализаторе могут быть получены этилен, пропилен и бутилены [3].
В промышленности синтез-газ для процесса Фишера - Тропша получают каталитической конверсией метана с водяным паром при высоких температурах (рис. 1). Газификация биомассы с водяным паром несколько сложней, чем газификация с применением воздуха.
Газификация воздухом (при неполном сгорании) - известный технологический процесс переработки твердого органического сырья: биомассы, торфа, бурого угля. Газогенераторные установки, где в качестве топлива применяли древесину, отходы хлопка, кукурузы и др., а также уголь, ранее ши-
роко использовались. В 40-х и 50-х гг. прошлого века имелось более 200 тыс. различных стационарных и передвижных машин. В 1980-1990 гг. газогенераторную технику использовали только в Канаде и США на лесозаготовках.
Газы газификации воздухом в зависимости от исходного сырья имеют состав (об. %), приведенный в табл. 1.
В лабораторных опытах [3] в качестве аналогов генераторного газа газификации биомассы использовались смеси газов, представленные в табл. 2, которые близки по составу генераторному газу из сырья (табл. 1).
Опыты по синтезу углеводородов по методу Фишера - Тропша проводились при давлениях 0,1 и 1 МПа, температурах от 180 до 230°С. Применялся промышленный катализатор, содержащий кобальт, и катализатор, который готовили смешением основного карбоната кобальта с носителем.
По результатам опытов, проведенных при атмосферном давлении и разном составе взятого для опыта газа, выход углеводородов не превышал 31 г/м3. При увеличении давления с 0,1 до 1,0 МПа в присутствии кобальт-содержащего катализатора выход жидких углеводородов (>С5) достигал
52 г/м3. При газификации отходов древесины 20%-ной влажности выход газа составлял 2,6-3 м3/кг. При выходе газа 2,6 м3/кг и синтезе углеводородов 52 г/м3 из 1 т отходов можно получить от 80 до 135 кг жидкого моторного топлива соответственно для давлений 0,1 и 1,0 МПа. С учетом возможных потерь можно принять, что для получения 1 т жидкого моторного топлива необходимо 8-10 т растительного сырья при газификации его воздухом.
На рис. 2 приведена типичная хро-матограмма получаемой углеводородной фракции. Полученная углеводородная смесь содержит бензиновую фракцию и дизельную фракцию С5-С18.
Таким образом, лабораторные опыты подтверждают гипотезу, что из газов газификации растительного сырья воздухом можно получить компоненты жидкого топлива, бензиновые и дизельные фракции, при содержании в газах синтеза до 50% азота.
В результате проведения синтеза жидких углеводородов из газов каталитической газификации биомассы с водяным паром выход жидких углеводородов из 1 м3 газа (состав, об.%: СО - 33, СО2 - 33, Н2 - 33) достигает 114-117 г/м3. Общий выход (с учетом газообразных продуктов) достигает 170-190 г/м3 аналогично процессу Фишера - Тропша из СО и Н2. Газ каталитической газификации биомассы с водяным паром содержит до 20-30% СО2, который, как полагают авторы [3], также частично входит в реакцию.
Одной из главных проблем промышленного производства синтетического дизельного топлива второго поколения из биомассы (БДТ-2п) является создание газогенератора высокой производительности. Фирма «Choren Industries GmbH» (Германия) освоила промышленное производство (БДТ-2п) при использовании разработанной технологии Carbo-V®-Verfahren [2]. Технология (рис. 3) включает трехступенчатую газификацию древесины:
■ низкотемпературная газификация биомассы, содержащей не более 15-20% воды при температурах 400-500°С;
■ высокотемпературная газификация;
■ эндотермическая газификация в воздушном потоке.
Рис. 3. Технологическая схема производства биотоплива второго поколения фирмы «Choren Industries GmbH»
В целях сокращения транспортных расходов по доставке сырья целесообразно создание транспортабельных, с использованием системы ВИМЛИФТ, установок для производства БДТ-2п, у которых оборудование монтируется в 2-3 бункера ВИМЛИФТ и транспортируется к сырью.
Совместно с фирмой ООО «ТРИВИМ Лтд» определена стоимость транспортабельной установки с годовой производительностью 1500 т БДТ-2п.
В нашем институте проведены исследования по определению коммерческой эффективности внутрихозяйственного производства синтетического биодизельного топлива БДТ-2п на транспортабельной установке производительностью 1500 т биомоторного топлива в год стоимостью 40 млн. руб. На основе анализа энергетических и ценовых показателей различного сырья для расчетов выбраны два вида сырья: торф и дрова. Результаты ис-
Рис. 4. Коммерческая эффективность производства синтетического жидкого топлива транспортабельным модулем ВИМЛИФТ при различной цене сырья. Годовая производительность модуля - 870 т дизельного топлива + 650 т бензина
Таблица 3
Коммерческая эффективность производства БДТ-2п на транспортабельной установке производительностью 1500 т БДТ-2п в год, стоимостью 40 млн. руб.
Показатели Торф Дрова
Цена сырья, руб./кг 0,4 1,5 05 1,0
Эффективность конверсии сырья в БДТ-2п 6 6 7 7
Стоимость сырья для производства 1 кг БДТ-2п, руб. 2,4 9,0 3,5 7,0
Себестоимость БДТ-2п, руб./кг 10,6 17,3 11,8 15,3
Чистый дисконтированный доход за 10 лет, млн. руб. 113,6 46,4 98,9 65,5
Дисконтированный срок окупаемости, мес. 39 64 42 54
следований коммерческой эффективности производства БДТ-2п приведены на рис. 4, в табл. 3.
В настоящее время оба вида сырья имеют определенный ценовой диапазон, поэтому расчеты были проведены для соответствующих диапазонов стоимости сырья, необходимого для производства 1 кг БДТ-2п. При использовании в качестве сырья дров, цена которых в зависимости от региона и уровня механизации заготовок колеблется от 0,5 до 1 руб./кг, стоимость сырья для производства 1 кг БДТ-2п будет находиться в диапазоне 3,5-7 руб. У торфа кускового, цена которого имеет более широкий диапазон 0,4-1,5 руб./кг, стоимость сырья для производства 1 кг БДТ-2п будет равна 2,4-9 руб.
Представленные на рис. 4 и в табл. 3 данные свидетельствуют о возможности организации высокорентабельного производства биодизельного моторного топлива второго поколения из непищевого сырья.
Срок окупаемости капитальных вложений при всех вариантах цен на сырье менее установленного норматива (6 лет). Годовой дисконтированный доход находится в пределах 4,611,4 млн. руб. в зависимости от стоимости сырья.
Себестоимость БДТ-2п при внутрихозяйственном производстве находится в пределах 10,6 -17,3 руб./кг в зависимости от цены сырья.
В дальнейших исследованиях необходимо будет проработать вопросы снижения стоимости сырья за счет механизации работ по его производству и подготовки к использованию в технологическом процессе. Особого внимания заслуживает вариант получения сырья из быстрорастущих растений (ивы) на заболоченных землях при механизированной уборке в зимний период.
Литература
1. ГОСТ Р 52808-2007. Энергетика биоотходов. Термины и определения».
2. Сорокин Н.Т. Проблемы развития биоэнергетики в АПК России. Международный конгресс «Биоэтанол-2009». - Москва, 15-16.03.2009 г.
3. Паушкин Я.М,. Головин Г.С., Лапидус А.Л., Крылова А.Ю., Горлов Е.Г., Ковач В.С. Получение моторных топлив из газов газификации растительной биомассы http://promeco.h1.ru/ stati/15.shtml
4. WWW.CHOREN.com
