книги / Стратегия устойчивого развития

Так, например, в условиях небольшой фермы отходы содержания животных поступают (рис. 19.2) в накопитель 2. Из него исходное сырье с помощью погружного насоса 3 подается на отделитель грубых включений 4, а затем насосом-дозатором 5 в метантенк 6. Периодичность работы дозатора определяется программным устройством. Метантенкоборудовансистемойподогревапоступающейбиомассыиподдержания необходимого температурного режима метановой генерации.

Вгенераторе биогаза имеются перемешивающие устройства, а также система отвода биогаза и выгрузки переработанной массы [59].

Жидкие органические удобрения удаляются из метантенка через гидрозатвор 7 и могут быть сразу же использованы для внутрипочвенного внесения. Для получениятвердыхудобрений, болееудобныхдляхраненияитранспортировки, сброженная масса поступает в концентратор-смеситель 8, где доводится до пастообразного состояния при смешивании с сорбентом – опилками, торфом, измельченной соломой.

Впоследние годы, особенно после энергетического кризиса середины 1970-х годов, быстроеразвитиеполучилополучениеизбиомассыспиртовимаселдляиспользования в качестве заменителя или добавки в бензины и дизельные топлива.

Вряде тропических странпостроены заводы пополучению спирта израстительных отходов, а также отходов производства сахара из тростника.

Все большие масштабы в зарубежных странах, а в последние годы и в России приобретает культивация рапса для получения наряду с кормами для животноводства и рапсового масла, применяемого в качестве топлива для двигателей внутреннего сгорания.

Рис. 19.2. Схема биогазовой установки [59]: 1 – ферма; 2 – накопитель; 3 – насос; 4 – отделитель грубых включений; 5 – насос-дозатор; 6 – метантенк; 7 – гидрозатвор; 8 – концентратор-смеситель; 9 – блок-контейнер; 10 – газгольдер

251

Всего в Евросоюзе (2004 год) построено 40 заводов. Начало производства биодизеля – 1992 год.

ВСША на октябрь 2004 года установленные мощности составляли примерно 567 млн л в год. В конце 2006 года в США работали 88 заводов суммарной мощностью примерно 2,646 млрд л в год. Строился 41 завод суммарной мощностью примерно 3,965 млрд л в год.

ВКанаде в конце 2006 года работали 4 завода суммарной мощностью примерно 196,5 млн л в год.

Значительный интерес представляют прогнозные данные по замене в ЕС традиционного углеводородного топлива (в тоннах нефтяного эквивалента) биотопливом

вближайшей перспективе – на 2010 год (табл. 19.3).

Таблица 19.3

Прогнозы ЕС по замене дизельного и бензинового топлива биотопливом

Биотопливо широко применяется в США, Бразилии, Китае и во многих странах Европы.

Например, Германия к 2015 году планирует полностью отказаться от нефтеуглеводородов, а в Швеции на автозаправках имеется колонка биотоплива Е85. Заправка автомобиля этим топливом позволяет водителю бесплатно въезжать в центр столицы и не платить за парковку. Следует отметить, что Швеция стала первой страной, использующей такое биотопливо.

Успешно развивается проект комбинированного топлива и во Франции, где к 2009 году 50 % автомобилей будут работать на этом топливе.

Топливные компании (Shell, Total, Neste) и автомобильные гиганты со всего мира (DaimlerChrysler, Volkswagen, Volvo (Ford)) открывают программы по переводу автомобилей с традиционного топлива на возобновляемое.

С учетом мировых тенденций перехода на биотопливо биоэтанол и биодизель представляют интерес не только как заменители традиционных энергоносителей – продуктов переработки нефти и природного газа как моторного топлива, но и как более благоприятные в экологическом отношении продукты.

Биоэтанол – этообезвоженныйэтиловыйспирт, изготовленныйизбиологически возобновляемого сырья.

Топливные смеси, содержащие этанол, успешно используются во всех типах автомобильных двигателей, работающих на бензине.

254

Как правило, этанол используется в смеси с бензином. Все автомобили и легкие грузовики, эксплуатируемые в США, могут использовать топливные смеси с содержанием от 10 до 85 % этанола, в соответствии с гарантиями своих производителей. Содержание спирта в общеизвестных топливных смесях следующее: топливо Е10 содержит 10 % этанола и 90 % бензина.

Е85 является еще одним альтернативным вариантом топлива, пригодным к использованию в двигателях с измененной специально для этого конструкцией. Смесь Е85 становится популярным видом топлива на современном топливном рынке. При этом некоторые производители поставляют на автомобильный рынок двигатели специальной конструкции (FFVs), работающие на любом соотношении бензина и этанола, включая Е85.

Главноедостоинствоэтанолсодержащихтоплив – уменьшениеколичествамонооксида углерода, оксидов азота и сажи в отработавших газах двигателей. Кроме того, этанол обладает высокими антидетонационными свойствами: он является наиболее эффективной антидетонационной добавкой среди алифатических спиртов. Этанол имеет ряд недостатков, из-за которых он до настоящего времени не получил широкого распространения в России:

1.Фазовая нестабильность при обводнении (расслоение смесей). Устранение нестабильности достигается введением в этанолсодержащее топливо определенных добавок, а также обеспечением условий, препятствующих попаданию воды

втопливо.

2.Наличие в спиртах полярной гидроксильной группы, которая делает их химически более активными, чем эфиры и традиционные виды топлив. Этанол даже при малом содержании воды приобретает высокую электропроводность, поэтому способствует коррозии металлов. Он особенно агрессивен по отношению к цинку, латуни, свинцу, алюминию, а также стали, покрытой сплавом свинца и олова. Поэтому, например, на бразильских автомобилях, использующих бензиноэтанольное топливо, некоторые медные и цинковые детали заменяют на никелевые.

Основным сырьем для производства биоэтанола служат кукуруза и соя. Биоэтанол можно получать и из отходов древесины, например из опилок, а также из соломы или травы. Интерес представляет и биомасса быстрорастущих деревьев, таких как ива или тополь, а также и морская растительность – водоросли [49, 50, 51].

Биоэтанол можно получать из биомассы методом пиролиза, гидролиза и ферментации. Пиролиз – процесс термического разложения органических соединений бездоступа кислорода, которыйможет происходитьприотносительно низкихтемпературах (500–800 °C). Реакцию пиролиза биомассы можно представить следующим образом:

БМ + тепло = С (углистое вещество) + смолы + СО + СО2 + Н2 + + Н2О + СНх, + CnHm.

255

Первичнымипродуктамимогутбытьжидкость, твердоеуглистоевеществоигазы в зависимости от вида и параметров процесса пиролиза, вторичными – энергия, топливо и химические продукты.

Жидкие продукты пиролиза обладают высокой энергетической ценностью и потенциальной возможностью использования в качестве жидкого топлива. Жидкость, образующаясявпроцессепиролиза, близкапосвоемусоставукбиомассе, имеетчуть большуютеплотусгорания(20–25 МДж/кг) исостоитизсложнойсмесивысокоокисленных углеводородов с содержанием воды до 20 мас. %.

Необработанное биотопливо представляет собой густую черную смолянистую жидкость, выход которой может достигать до 80 % массы сухого сырья (при быстром низкотемпературном пиролизе). Биотопливо может использоваться в качестве заменителя котельного топлива. Имеется опыт использования пиролиза в газовых турбинах и дизельных двигателях.

Для наибольшего получения жидких продуктов используют быстрый пиролиз. При высоких скоростях нагрева с последующим быстрым гашением происходит конденсация промежуточных жидких продуктов, а доля образующегося углистого

вещества минимальна.

Быстрый пиролиз является основным термохимическим способом прямого получения жидкости из биомассы, он позволяет превратить биомассу в жидкость, которую легче и дешевле транспортировать, хранить и использовать, чем саму биомассу. Процесс пиролиза энергетически самообеспечен, так как использование газообразных и твердых продуктов дает тепло, необходимое для самого процесса и для сушки биомассы.

Производство биоэтанола методом гидролиза и ферментации основано на свойстве полисахаридов, составляющих примерно 70 % массы растений, подвергаться гидролитическому расщеплению до моносахаридов под воздействием воды в присутствии минеральных кислот.

Превращение полисахаридов растительного сырья в моносахариды (простые сахара) основано на гидролитическом расщеплении (гидролизе) полисахаридов.

Гидролиз полисахаридов протекает под действием воды в присутствии крепкой минеральной кислоты в качестве катализатора.

Процесс получения этанола состоит из трех основных этапов: подготовка сырья (измельчение), гидролиз и ферментация (рис. 19.4).

Промышленная технология гидролиза основана на применении разбавленных растворов H2SO4 в качестве катализатора и отборе моносахаридов из гидролизаппарата по мере их образования.

Процесс гидролиза растительного сырья проводят в стационарных гидролизаппаратах, работающих под давлением.

Технологический режим гидролиза состоит из операций загрузки в аппарат измельченного сырья, закачки кислоты, подогрева содержимого аппарата, собственно перколяции, промывки лигнина водой, отжима остатка гидролизата и удаления лигнина из гидролизаппарата.

256

Рис. 19.4. Техника и технология гидролиза [52]

Качественный состав и количественное содержание различных компонентов гидролизата зависят от химического состава исходного растительного сырья и технологических параметров процесса гидролиза.

Ферментация

Спиртовое брожение осуществляется с помощью фермента зимазы (спиртообразующих дрожжей), расщепляющего гексозные сахара до этилового спирта и углекислого газа:

С6 Н2О6 + 2С2Н5ОН + 2СО2.

Впроцессе спиртовогоброжения образуются два основныхпродукта метаболизма – этанол и диоксид углерода.

Спиртовое брожение проводится в анаэробных условиях при 32–34 °C в течение 5–7 ч и концентрации дрожжей в культуральной жидкости 20–30 г/л. В результате брожения образуется промежуточный продукт производства – спиртовая бражка, содержащая 1,0–1,5 % этанола.

Выход этанола при спиртовом брожении составляет на передовых предприятиях 56–59 л из 100 кг сбраживаемого сырья.

Для получения товарного этанола спиртовая бражка направляется на ректификационные установки.

При спиртовом брожении образуется в качестве побочного продукта углекислый газ в количестве 96 % массы спирта. Этот газ улавливают и после очистки превращают в жидкую или твердую углекислоту. Выход продукта составляет 50–60 % теоретического.

257

В процессах брожения и ректификации получаются, кроме целевого продукта – спирта, также твердые отходы и загрязненные сточные воды, которые необходимо обезвреживать. Отходы после ректификационных установок обладаютвысокойспособностьюкпотреблению(поглощению) кислородавследствие наличия несброженных сахаров и других компонентов биомассы.

Объем этих отходов в 15 раз больше объема произведенного спирта [60]. Наряду с биоэтанолом на современном рынке энергоносителей все большее зна-

чение занимает биодизель, который производят из растительных масел.

Биодизель – вязкаяжидкость, имеющаяокрасотсветло-желтогодотемно-желто- го цвета. Легко растворяется в неполярных и хлорированных органических растворителях, мало растворим в воде. Типичный метиловый дизель имеет точку кипения 150 °C. Его плотность составляет 0,8 г/см3.

С химической точки зрения биодизель представляет собой смесь метиловых или этиловых эфиров высших жирных кислот (более 90 % составляют эфиры олеиновой, линолевой и пальмитиновой кислот).

Биодизель получают путем переэтерификации растительных или животных масел.

Переэтерификация (этерификация, трансэтерификация) – это основная технология производства биологических дизельных топлив.

Для получения эфира растительное (животное) масло переэтерифицируется метанолом (реже этанолом или изопропиловым спиртом) c добавлением небольшого количества катализатора (кислота или чаще всего щелочь). Все эти компоненты смешиваются в специальных реакторах при температуре 60 °C и нормальном давлении. В результате реакции этерификации получается смесь, которую затем отстаивают. Легкие верхние фракции продукта являются метиловым эфиром или биодизельным топливом, нижние фракции – глицериновой фазой, которую можно использовать для получения глицерина.

Биодизель можно получать из различных продуцентов растительных и животных масел, но чаще всего в восточноевропейских странах (Россия, Украина) его получают из подсолнечника, кукурузы, сои.

Встранах ЕС основной культурой для производства биодизеля является рапс

(рис. 19.5).

Семена рапса поступают на маслобойку, где на выходе образуется рапсовое масло и жмых. Рапсовый жмых используется в животноводстве как ценная кормовая составляющая. Рапсовый жмых и шрот подходят для приготовления сенажа, силоса

итравяной муки. В одной кормовой единице он содержит до 190 г протеина. Далее по схеме рапсовое масло, метанол и катализатор проходят стадию этерификации, сепарации и очистки.

Врезультате химической реакции этерификации образуется биодизель (метиловый эфир), а также побочный продукт – глицерин.

258

Рис. 19.5. Схема производства биодизельного топлива из рапса [55]

Из 1 т семян рапса можно получить 300 кг (30 %) рапсового масла, а из этого количества масла производят около 270 кг биодизеля. Выход глицерина при этом составляет около 10 % [55].

Биодизель применяется на автотранспорте в чистом виде или в виде различных смесей с дизельным топливом. В США смесь дизельного топлива с биодизелем обозначается буквой В; цифра при букве означает процентное содержание биодизеля. В2 – 2 % биодизеля, 98 % дизельного топлива. В100 – 100 % биодизеля.

Обладая примерно одинаковым с минеральным дизельным топливом энергетическим потенциалом, биодизель имеет ряд существенных преимуществ:

1.Биологическая безвредность. При попадании в воду он не причиняет вреда растениям и животным. В окружающей среде биодизель при контакте с микрофлорой подвергается практически полному биологическому распаду: в почве или в воде микроорганизмы за месяц перерабатывают 99 % биодизеля. Это позволяет свести

кминимуму загрязнение рек и озер при переводе водного транспорта на биодизель.

2.Малое содержание серы. Биодизель в сравнении с минеральным аналогом почти не содержит серы (< 0,001 % против минерального дизтоплива < 0,2 %).

3.При сжигании биодизеля снижается выброс твердых частиц сажи. Так, при применении В100 происходит приблизительно их 100%-е сокращение.

259

4.Биодизель обладает преимуществами по содержанию в выбросах продуктов неполного окисления монооксида углерода, углеводородов. Выбросы от сгорания В100 на 60…90 % менее токсичны, чем при сгорании ДТ.

5.Биодизель обладает хорошими смазочными характеристиками. Смазка топливных форсунок и некоторых типов топливных насосов обеспечивается самим топливом. Это обусловлено его химическим составом и высоким содержанием в нем кислорода. Биодизель имеет лучшие смазочные свойства, чем современные ДТ.

6.При работе двигателя на биодизеле одновременно производится смазка его подвижных частей, в результате которой достигается увеличение срока службы самого двигателя и топливного насоса в среднем на 60 %.

7.Высокая температура воспламенения. Эта характеристика определяется величиной цетанового числа топлива (цетановым индексом). Американское ДТ имеет сравнительно невысокие цетановые числа, в среднем, около 40, а европейское ДТ имеет цетановый индекс 50 ед. Исследования показали, что цетановые числа биодизеля лежат в интервале величин от 45,8 до 56,9 ед. Температура воспламенения для биодизеля превышает 100 °C, что позволяет назвать биогорючее относительно безопасным веществом.

8.Производство биодизеля легко организовать, в т. ч. в условиях небольшого фермерского хозяйства, при этом используется недорогое оборудование.

Биодизель обладает определенными недостатками:

1.Приработенабиодизелеувеличиваетсяэмиссияокисловазота. Этотнедостаток можно устранить путем модификации двигателей, применением специальных добавок к топливу или использованием реакторов-дожигателей.

2.Неудовлетворительные пусковые свойства двигателя, работающего на биодизеле при низкой температуре. В холодное время года необходимо подогревать топливо, идущее из топливного бака в топливный насос, или применять смеси 20 % биодизеля и 80 % солярки [53, 54].

3.Применение смесей с более высоким содержанием биотоплива (типа В50, В100 или Е85, Е100) требует специальной подготовки системы управления и может потребоватьмодификацииоборудования, например, примененияспециальныхподогревателей или замены уплотнений и прокладок, которые контактируют с топливом.

4.Теплотворная способность биодизеля почти на 30 % меньше, чем у бензина, а следовательно, меньше мощность, развиваемая двигателем.

При анализе недостатков широкого применения биодизеля как альтернативного вида моторного топлива необходимо обязательно учитывать возникающие при этом основные эколого-экономические проблемы.

В первую очередь, необходимо учитывать относительно высокую себестоимость биодизеля, которая пока без известных дотаций производителю и налоговых льгот не обеспечивает его конкурентную способность по сравнению с традиционным дизельным топливом.

Для производства биотоплива из растительного сырья требуются большие земельные площади из-за относительно невысокой урожайности масличных культур

260