Рідке біопаливо

Види біопалива

Виділяють 3 види біопалива в залежності від агрегатного стану і природи речовини: тверде, рідке і газоподібне. Тверде біопаливо представляють традиційні дрова (найчастіше у вигляді відходів деревопереробки), а також паливні пелети з різних видів біомаси. Рідке паливо – це спирти (метанол, етанол, бутанол), ефіри, біодизель і біомазут. Газоподібне – газові суміші з чадним газом, метаном або воднем, одержувані при термічному розкладанні сировини в присутності кисню (газифікація), без кисню (піроліз) або при зброджуванні під впливом бактерій.

Чотири покоління біопалива

Ще один вид класифікації – це його класифікація за їхніми біопалива:

1. Перше покоління біопалива – це сировина рослинного походження, що містить жири, крохмаль, цукру. Жири та олії переробляються в біодизель, а крохмалі і цукри – в спирти. Технології отримання продуктів з такої сировини відомі давно і використовуються повсюдно. Головним недоліком і причиною відходу від біосировини першого покоління є конкуренція за посівні площі, які можуть бути використані під вирощування харчових продуктів, а також переробку цих продуктів в паливо, а не продукти харчування. Оскільки актуальність проблеми світового голоду має тенденцію зростання з часом.

2. Другим поколінням сировини називають нехарчові залишки рослин, траву, деревину, відходи харчової та деревообробної промисловості. Ця сировина містить целюлозу і лігнін, які дозволяють отримувати синтез-газ при термохимичних процесах спалювання, газифікації та піролізу. Синтез-газ є продуктом для отримання електрики, тепла і пара, або сировиною для подальшої переробки в спирти, моторні палива.

3. Третє покоління сировини – водорості, які в процесі росту виділяють масла. Зібрану сировину піддають переробці в кінцевий продукт. Такий вид біопалива не вимагає земельних ресурсів, може мати велику концентрацію біомаси і високу швидкість відтворення.

4. Біопаливо четвертого покоління – це швидкорослі фотосинтезирующие мікроорганізми, які здатні виробляти рідке паливо безпосередньо з вуглекислого газу. Поки що ця технологія знаходиться в стадії розробки.

Одним з найбільш перспективних і доступних щодо застосування технологій є біопаливо другого покоління. Широка доступність сировини, його дешевизна і актуальність утилізації дають стимул для розвитку і застосування технологій отримання рідкого палива, або сировини для подальшої переробки, з біомаси. Біопаливо другого покоління має дуже важливу перевагу перед паливом першого покоління – воно не є харчовим сировиною, а навпаки, побічним продуктом фермерських господарств, харчових виробництв і деревообробки, що дає додаткову економічну вигоду при вирішенні питання утилізації відходів.

В якості сировини для отримання рідкого палива з біопалива другого покоління часто використовуються відходи деревообробної промисловості, а також всілякі відходи сільськогосподарської, харчової промисловості та фермерства – залишки рослинної біомаси і побічні продукти переробки сировини в харчові продукти. Початковою стадією процесу отримання рідких вуглеводнів з рослинної біомаси є процес отримання синтез газу.

Способи отримання синтез-газу

Синтез-газ – це суміш газів монооксиду вуглецю і водню з домішками вуглеводнів. Отримання синтез газу здійснюється трьома способами:

1. Газифікація вугілля, біомаси. Основна реакція процесу – це взаємодія вугілля з водяною парою (повітрям або насиченим паром):

C + H2O = H2 + CO

Реакція є ендотермічної. Також використовується парокисневе дуття, при якому поряд зі згаданою реакцією протікає екзотермічна реакція згоряння вугілля, що забезпечує потрібний тепловий баланс:

C + 1/2O2 = CO

2. Конверсія метану. Реакція взаємодії метану з водяною парою проводиться в присутності нікелевих каталізаторів (Ni-Al2O3) при підвищених температурах (800-900 ºС) і тиску:

CH4 + H2O = CO + 3H2

В якості сировини замість метану може бути використано будь-яку вуглеводневу сировину.

3. Часткове окислення вуглеводнів. Процес грунтується на неповному термічному окисленні вуглеводнів при температурах вище 1300 ºС:

CnH2n + 2 + 1/2nO2 = nCO + (n + 1)H2

Спосіб застосуовують до будь-якої вуглеводневої сировини, але найбільш часто в промисловості використовують висококиплячу фракцію нафти – мазут.

Найбільш цікавим способом отримання синтез-газу є перший, оскільки вирішує відразу дві проблеми – заміщення традиційних енергоносіїв (газ, нафта), а також утилізацію сільськогосподарських залишків і відходів харчових виробництв.

Синтез-газ є перспективним продуктом в якості сировини для отримання різних вуглеводнів, які можуть бути використані для подальшої переробки, або бути товарним продуктом для реалізації. Одним з варіантів подальшої стадії переробки синтез-газу є отримання метанолу:

СО + 2Н2 = СН3ОН

Метанол є продуктом сам по собі і використовується в якості допоміжного продукту, реагенту, інгібітора, тощо в  різних виробництвах хімічної, нафтогазової промисловості. Також він є сировиною для отримання товарних продуктів для реалізації або для подальшого використання в інших галузях народного господарства, наприклад, диметилового ефіру, аміаку, пропілену, концентрату ароматики та високооктанового бензину.

Таким чином, синтез-газ є проміжним продуктом при послідовних перетвореннях в ланцюжку отримання палива і різних сировинних рідких і газоподібних речовин. Для перетворення синтез-газу (і інших газоподібних вуглеводнів, в тому числі природного газу) в паливо, мастильні матеріали та інші синтетичні вуглеводні використовується так звана технологія Gas-to-Liquid (газ в рідину). Технологія, як правило, передбачає термохімічні реакції на каталізаторах з отриманням довголанцюгових вуглеводнів. Використовуються такі 3 основні процеси отримання рідкого палива з синтез-газу: (1) Фішера-Тропша; (2) MTG (Methanol to gasoline або метанол в бензин); (3) STG + (Syngas to gasoline plus або синтез-газ в бензин).

Процес Фішера-Тропша

Процес Фішера-Тропша заснований на проходженні хімічних реакцій в присутності каталізатора з отриманням рідких вуглеводнів з синтез-газу. В якості каталізатора використовуються метали VIII групи, найчастіше залізо і кобальт. У загальному вигляді хімічна формула процесу виглядає так:

nCO + (2n+1)H2 = CnH2n+2 + nH2O

nCO + 2nH2 = CnH2n + nH2O

Процес проводять при позитивному тиску від 1 до 30 атм і температурі 190-240 ºС або 320-350 ºС в залежності від типу каталізатора: Fe і Co відповідно.

Також присутні небажані реакції, в наслідок яких утворюються домішки в основному продукті, такі як гідрування оксиду вуглецю в метан, розкладання оксиду вуглецю і окислення металу каталізатора. Основні продукти цих реакцій – насичені і ненасичені вуглеводні аліфатичного ряду, а побічні продукти – спирти, альдегіди і кетони. Головною технічною проблемою синтезу Фішера-Тропша є необхідність утилізації великої кількості теплоти, що виділяється в результаті сильно екзотермічних хімічних реакцій.

Метанол в бензин (MTG)

Метанол в бензин (Methanol to gasoline, MTG) – це процес полімеризації метанолу з отриманням насичених вуглеводнів (алканів). Метанол проводиться з метану (природного газу) за допомогою трьох реакцій: парового риформінгу, конверсії водяного газу і синтезу, потім він перетворюється в бензин.

Утворення вуглеводнів з метанолу проходить в кілька стадій. Спочатку протікає реакція дегідратації метанолу в диметиловий ефір, який надалі дегидратируется з отриманням олефінів. Останні вступають у реакції полімеризації і циклізації, що призводять до утворення парафінових, ціклопарафінових і ароматичних вуглеводнів. Процес проводять на базі спеціального цеоліту каталізатора ZSM-5, розробленого компанією Mobil. Результатом процесу є отримання бензину. Каталізатор піддається регенерації, кількість циклів якої обмежена, після чого каталізатор замінюється на свіжий, а відпрацьований утилізується.

Синтез-газ в бензин плюс (STG+)

Синтез-газ в бензин плюс (Syngas to gasoline plus, STG +) – цей процес містить в основі технологію MTG. Кожен з етапів проходить в окремих апаратах зі шаром каталізатора, з’єднаними послідовно один за іншим. Першим з них є отримання метанолу з синтез-газу – метанол синтезується з газу при проходженні через нерухомий шар каталізатора. Далі проводять синтез диметилестера, який представляє собою дегідратацію метанолу в присутності каталізатора. У третьому реакторі диметилестер перетворюється в вуглеводні з 6-10 атомів вуглецю в молекулі: парафіни (алкани), ароматичні вуглеводні, нафти (циклоалкани), олефіни (алкени). У четвертому реакторі проходить процес отримання високооктанового бензину за допомогою трансалкілірованія і гідрогенізації. На останній стадії суміш надходить в сепаратор, де конденсується і розправитися на готовий бензин і нескондесований газ. Бензин направляється до товарної ємності, а газ – в перший реактор для переробки спільно з новою свіжим сировиною.

Види рідкого біопалива

Основними видами рідкого біопалива, виробленого з біомаси шляхом її газифікації, є біометанол, біоетанол, біобутанол, біодизель, біонафта, біобензин.

Біометанол, або метиловий спирт, є першим представником в гомологічної ряду одноатомних спиртів, має хімічну формулу СН3ОН і виробляється одним з способів наведених вище з синтез-газу, або бродінням сільгосп культур, що містять сахарозу або крохмаль. Використовується у багатьох сферах народного господарства, в тому числі в якості розчинників, антифризів, інгібіторів гідратоутворення, при отриманні високооктанових паливних добавок, формальдегіду та інших речовин. Біометанол не використовується як самостійна добавка до моторного палива, оскільки має небажані властивості, такі як гігроскопічність, токсичність, корозійну активність. Для підвищення октанового числа бензину частіше використовується біоетанол і біобутанол.

Біоетанол – це етиловий спирт, хімічна формула С2Н5ОН. Виробляється декількома способами: (1) ферметаціей або бродінням біосировини, що містить крохмаль або цукор; (2) газифікацією біомаси з наступним зброджуванням синтез-газу бактеріями в етанол; (3) газифікацією біомаси з наступним отриманням метанолу та отриманням етанолу методом каталітичної конверсії.

Біоетанол отримав застосування в якості добавки до автомобільного палива, що дозволяє збільшити октанове число і знизити рівень токсичності відпрацьованих газів. Біоетанол змішують з автомобільним бензином. Найбільш поширені: 90% бензину + 10% етанолу, або 15% бензину + 85% етанолу. Бензин із спиртовою добавкою позначають літерою Е – Е10 і Е85, відповідно об’ємному змісту біоетанолу в паливній суміші. Також виробляють висококонцентровані паливні суміші Е95, де біоетанол займає 95% обсягу. Паливні суміші Е85 і Е95 вважаються альтернативними паливами, тоді як Е10 таким не вважається. Висока концентрація біоетанолу в бензинової суміші дозволяє значно зменшити використання природних копалин вуглеводнів при виробництві бензину і досягає економії нафтопродуктів 73-75 і 85-88% відповідно для марок Е85 і Е95.

Біобутанол, або бутиловий спирт, четвертий за рахунком в ряду одноатомних спиртів, хімічна формула C4H9OH. Може бути отриманий тими ж способами, що і біоетанол. Використовується в якості компонента моторного палива. Має вищу енергетичну щільність, ніж етанол, він менш летючий і агресивний, що дозволяє транспортувати його по трубопроводах. Крім використання біобутанолу як добавки до паливних сумішей, його використовують як розчинник, сировину для отримання гликолей і проведення синтезу різних органічних сполук.

Біодизель – це багатокомпонентне рідке паливо, яке складається з спиртових ефірів (метилових, етилових) вищих ненасичених і жирних кислот, вироблене шляхом процесу етерифікації жирів (масел). Сировиною для виробництва біодизеля може служити як свіже масло, отримане при переробці олійних сільгосп культур, так і відпрацьоване моторне і навіть перероблене харчову олію, зібране в закладах громадського харчування після приготування їжі. Отримують біодизель найчастіше шляхом етерифікації олії, рідше – переетерифікації жирів. Етерифікація – це процес отримання складних ефірів шляхом взаємодії спиртів і кислот. Для отримання біодизелю рослинне масло (це суміш тригліцеридів (ефірів), з’єднаних з гліцерином, з триатомним спиртом С3Н8О3) піддають етерифікації, тобто процесу заміщення гліцерину спиртом в молекулі ефіру.

Вихідна сировина подає в блок етерифікації, куди одночасно надходять метанол і розчин каталізатора (гідроксиди натрію або калію, або метилат натрію, що становлять від 0,3 до 1,5% від обсягу сировини, що переробляється). Після закінчення процесу в результаті відстоювання суміш, отримана в блоці етерифікації, розділяється на два шари: верхній – суміш метилових ефірів і метанолу, нижній – гліцерин (з невеликою кількістю метанолу). Верхній шар направляється в блок відгону метанолу, з якого метанол повертається в блок етерифікації, а сирий продукт, який залишився, – метиловий ефір (біодизель) – надходить послідовно в блок промивки та сушильну камеру.

Перевага біодизеля перед звичайним дизелем в тому, що він на 99% біологічно розкладається протягом короткого часу (близько місяця) і не приносить шкоди навколишньому середовищу. Таким чином, він повністю нешкідливий для флори і фауни і може використовуватися в якості палива на водоплавних судах. При спалюванні біодизелю утворюється менша кількість СО2, а також він містить значно менше сірки в складі. Недоліком біодизеля є більш низька температура замерзання, тому в нього часто підмішують традиційне дизельне паливо, а також біодизель має менший термін зберігання, оскільки розкладається через 3 місяці.

Біонафтою прийнято називати суміш вуглеводнів, отриману з рослинної сировини. Біонафта – назва умовна, так як складається з вуглеводнів тільки на малу частину (5-15%), решту становлять спирти, альдегіди, ароматика і ін. Біонафту отримують в наслідок термохімічного перетворення біомаси в процесах газифікації, піролізу, парокрекінга, гідрокрекінгу. Один з найбільш продуктивних способів отримання є швидкий піроліз – термічний процес розкладання органічних і неорганічних сполук при нестачі кисню при високих температурах (до 1000 ºС). В результаті швидкого піролізу отримують до 80% рідких вуглеводнів на виході, а також газоподібні і тверді побічні продукти. Біонафта також називають «піролізної рідиною» і «біомазутом».

Біобензин з твердого біопалива отримують за допомогою синтезу Фішера-Тропша. Його перевага перед бензином з традиційних вуглеводнів в тому, що він не містить сірки, азоту та важких металів. Але вартість виробництва біобензину висока, тому сьогодні він практично не виробляється.

Висновки

Постійно змінюється ринок традиційних вуглеводнів, політичні та економічні світові кризи зумовлюють потребу в пошуку альтернативних джерел отримання енергії. Однією з глобальних невирішених проблем залишається виробництво синтетичного моторного палива, яке буде більш екологічним, досить енергоємним і доступним для використання. Гідним варіантом рішення є отримання рідкого біопалива шляхом переробки твердої біомаси. Це дозволяє вирішити відразу кілька проблем: (1) заміщення вуглеводнів природного походження більш екологічними видами; (2) утилізацію нехарчових залишків сільгосп сектора; (3) нецільове використання орних земель.

Таке рішення має також і недоліки. Серед яких недосконалість технологій, що тягне за собою значні витрати на одиницю продукції, в порівнянні з рідкими паливами традиційного походження. Важливу роль відіграє нестабільність деяких біопалив (біобензин, біонафта), а також використання дорогих і іноді рідкісних каталізаторів. До викликів також відноситься питання зберігання, підготовки і логістики сировини, оскільки воно вимагає певних умов і термінів реалізації.

Незважаючи на перераховані недоліки біопалива, пошук оптимальних рішень триває і актуальність даної теми буде тільки зростати в зв’язку з наростанням нестабільності світового ринку природних енергоносіїв.

Avenston – українська група компаній, що спеціалізуються на впровадженні відновлюваних джерел енергії та енергоефективних технологій. Ми працюємо на підвищення ефективності наших проектів, ретельно розробляючи і впроваджуючи сучасні інженерні рішення. Одна з ключових компетенцій Авенстон полягає в проектуванні, будівництві і сервісному обслуговуванні сонячних електростанцій середньої і великої потужності. Наша група компаній з 2010 року здійснює комплекс робіт з розробки проектів, будівництва та обслуговування фотоелектричних сонячних електростанцій всіх типів та накопичила величезний практичний досвід реалізації сонячних проектів. Сонячні електростанції від Авенстон – це повна професійна підтримка і експертиза на всіх етапах для досягнення максимального результату.