Биоэнергетика. Мир и Россия. Биогаз. Теория и практика. Монография - Евгений Панцхава

Таким образом, в результате переработки растительного сырья могут бы получены жидкие углеводороды – компоненты моторных топлив и олефины, частности этилен для процессов нефтехимического синтеза.

Цель настоящего исследования – разработка процесса получения компонентов жидких топлив (бензина, дизельного топлива) из продуктов газификации растительной биомассы СхНуОг при 900-1500 °C. При этом образуется газ, содержащий оксид углерода, водород, диоксид углерода и азот:

CxHyOz + O2 + N2 = CO, H2, CO2, H2O, N2

Состав продуктов газификации зависит от исходного сырья (древесная щеп солома, отходы технических культур и др.). Обычно состав газа находится пределах, %: СО 15–25, Н2 12–15, СО2 7-12, N2-50. Может присутствовать небольшое количество других примесей, например СН4.

Характерной особенностью газов газификации биомассы воздухом является большое содержание азота – 45–55 %. Ранее полагали, что азот будет препятствовать синтезу жидких углеводородов из СО и Н2.

Каталитическую газификацию биомассы древесной пульпы проводят с помощью водяного пара с подводом тепла извне в трубчатых печах на никелевых катализаторах. В этом случае из 1 т биомассы получается 150–160 кг водород диоксид углерода отделяется. В процессе пиролиза расходуется 103,0 кД тепла на 1 молекулу водорода, а при сжигании 1 молекулы выделяете 285 кДж.

В промышленности для процесса Фишера – Тропша синтез-газ получают каталитической конверсией метана с водяным паром при высоких температурах.

Газификация биомассы с водяным паром несколько сложней, чем газификация с применением воздуха, так как газогенераторы такого типа не разработаны.

Рассмотрим синтез углеводородов из генераторных газов газификации воздухе растительного сырья. Газификация воздухом (при неполном сгорании) – известный технологический процесс переработки твердого органического сырья – биомассы, торфа, бурого угля.

Газы газификации воздухом в зависимости от исходного сырья [4-16] имеют следующий состав, об.%:

Газогенераторные установки, где в качестве топлива применяли биомассу – древесину, отходы хлопка, кукурузы и др., а также уголь, ранее широко использовались. В 40-х и 50-х годах имелось более 200 тыс. различных стационарных и передвижных машин [4-16] и были сэкономлены миллионы тонн нефти. В 1980–1990 гг. газогенераторную технику использовали только в Канаде и США на лесозаготовках.

В Западной Европе в 1980–1990 гг. при уничтожении городского мусора применяли процессы газификации, получая генераторный газ, содержащий СО – 22, Н2 12–15, N2 45–50. Установки такого типа фирмы “Фест-Альпине” (Австрия) экологически чистые, а газ может применяться для получения жидкого топлива.

4.5. Газификации растительной биомассы в России[16]

В России разработан новый метод получения экологически чистых жидких моторных топлив из растительной биомассы. Топлива не содержат серу, а выделяющийся при их горении диоксид углерода вновь участвует в образовании растений. Топлива получаются из газов газификации биомассы воздухом при невысоком давлении и температуре.

В качестве аналогов газа газификации в настоящей работе использовали смесь газов следующих составов (об.%): СО – 30, Н2 – 15, CO2 – 5, N2 – 50; СО – 15, Н2 – 20, CO2 – 15, N2 – 50; СО – 28, Н2 – 15, СО2 -7, N2 – 45.

Опыты проводили при давлениях 0,1 и 1 МПа и температурах от 180 до 230 °C. Применяли промышленный Co-содержащий катализатор и катализатор, который готовили смешением основного карбоната кобальта с носителем. Все катализаторы восстанавливали в потоке водорода при 450 °C. Опыты проводили при объемной скорости (о. с.) от 50 до 200 ч-1.

Для проведения большей части опытов был выбран Co-катализатор, активный в процессе синтеза углеводородов из водяного газа (СО-Н2) по Фишеру – Тропшу.

При увеличении давления с 0,1 до 1,0 МПа в присутствии Со – содержащего катализатора выход жидких углеводородов (>С5) в отдельных опытах достигал 52 г/м3 (без избыточного давления не превышал 31 г/м3). Если отнести этот выход к 1 кг использованных для газификации отходов древесины, то при 20 %-ной влажности выход газа составляет 2,6–3 м3/кг. Если принять выход 2,6 м3/кг, то из 1 т отходов можно получить от 80 до 135 кг жидкого топлив. С учетом возможных потерь можно принять, что 1 г жидкого топлива будет получаться из 8—10 т сырья. На этих примерах показано, что из газов газификации растительного сырья воздухом можно получить компоненты жидкого топлива, бензиновые и дизельные фракции, хотя в газах синтеза содержится до 50 % азота.

Выход жидких углеводородов из 1 м3 газа (состав, об.%: СО 33, CO2 33, Н2 33) достигает 114–117 г/м3, общий – 160 г/м3. Общий выход (с учетом газообразных продуктов) достигает 170–190 г/м3, аналогично процессу Фишера – Тропша из СО-Н2. Однако газ каталитической газификации биомассы с водяным паром содержит до 20–30 % CO2, который, вероятно, также частично входит в реакцию.

Была рассмотрена возможность создания передвижных опытных установок по переработке растительной биомассы в компоненты моторного топлива. Они включают газификацию биомассы воздухом при 900-1500 °C, очистку газа и синтез жидких углеводородов.

Для синтеза можно использовать также газ, полученный газификацией растительной биомассы паром.

Таким образом, представлен процесс получения жидких моторных топлив из растительного сырья – отходов сельского хозяйства, лесодобычи и лесопереработки, который можно осуществить на передвижных или стационарных установках.

Процесс состоит из газификации органического сырья (неполного сгорания) воздухом при 900-1500 °C, в результате чего образуется газ, содержащий СО, Н2, СО2, Н2О, N2. В результате каталитической конверсии газа при 200–250 °C и 1,0 МПа получается смесь жидких углеводородов. Азот воздуха в реакцию не вступает. При этих процессах 1 т компонентов моторного топлива получается из 8 т исходного сырья. Общий КПД синтез жидкого топлива из исходного сырья (биомассы) составляет около 40 %. Из лесосечных или сельскохозяйственных отходов с 1 кв. км на передвижных установках можно получить от 100 до 200 т жидкого топлива [4-16].

Моторные топлива [4-16], полученные из растительной биомассы, экологически чистые, так как не содержат серу, а образующийся при их сгорании диоксид углерода вновь вовлекается в образование растений и не накапливается в атмосфере. Утилизация растительных отходов и отходов пластмасс оздоровляет экологическую обстановку [4-16]. Это делает возможным получить дополнительное количество моторного топлива из отходов растительного и вторичного сырья, пластмасс.

4.6. Новые научные разработки за рубежом – НИОКР [4-17]

Новое открытие позволит ученым делать топливо из CO2 в атмосфере.

Исследователи из США нашли способ преобразования углекислого газа атмосферы в полезные промышленные продукты, например, в биологическое топливо.[4-17].

Был разработан метод получения сахара непосредственно из углекислого газа, минуя процессы выращивания растений и извлечения сахара из биомассы. Для этого использовали уникальный микроорганизм Pyrococcus furiosus, или «огненный шарик», который питается углекислым газом и живет вблизи геотермальных источников. Ученые подвергли его генной модификации и вывели штамм P. furiosus, который может поглощать и перерабатывать углекислый газ в сахар при более низких температурах. При добавлении водородного газа в микроорганизме происходит химическая реакция, в которой углекислый газ превращается в 3-гидроксипропионовую кислоту, являющуюся распространенным промышленным химикатом для изготовления пластмассы и многих других продуктов.

Используя другие генетические манипуляции P. furiosus, исследователи планируют создать еще один штамм, который будет генерировать множество других полезных промышленных продуктов, в том числе топливо, из углекислого газа.

Британские ученые планируют начать переработку выбросов от электростанций в топливо [4-17].

Ученые из университета Хериот-Уатта, Эдинбург, в настоящее время работают над фотокаталитической технологией восстановления, в которой выбросы углекислого газа от электростанций будут перерабатываться в жидкое и газообразное топливо для использования в коммунально-бытовом секторе и на транспорте. Дополнительным преимуществом этого процесса преобразования является возможность использования солнечного излучения.

Новый фотокаталитический процесс позволит получать значительно больше этанола, метанола и метана, чем это возможно с существующими сегодня аналогичными технологиями. Полученное топливо может быть направлено для централизованного теплоснабжения в многоквартирных домах, а также для использования в самолетах.